脉冲星，是大质量恒星“死亡”后留下的致密残骸，属于中子星的一种。脉冲星的典型质量和太阳相当，但直径只有大约20千米。想象一下，如果把一个太阳压缩到一座城市的尺寸，就得到了一颗中子星。由于质量巨大且体积较小，脉冲星很难受到外界的干扰，自转极其稳定，宛如宇宙中精准的“原子钟”。

脉冲星概述图

脉冲星的磁轴与自转轴通常不重合，两个磁极发出的辐射束会随着星体旋转扫过空间，就像宇宙中的灯塔。当这束光扫过地球时，我们就能接收到规律的脉冲信号。通过精确测量脉冲到达的时间，科学家不仅能研究脉冲星本身，还能探测星际介质、太阳系天体运动，甚至捕捉引力波的踪迹。虽然部分脉冲星在全电磁波段都有辐射，但目前我们主要依靠射电波段来发现它们。

/ FAST的第一颗脉冲星： 

古老天文知识的再次闪光

射电天文诞生的标志是卡尔·央斯基发现来自银河系中心（银心）的射电辐射。所谓发现，并不只是探测到信号，而是能理解信号并给出合理的解释。

20世纪30年代，央斯基在调试天线时，探测到了来自银心的射电信号，但他并不能确定其来源。坚持观测一年后央斯基发现，等效来看，这个信号经过中天的时间每天都提前约四分钟。这是一个重要的天文学量，就是恒星日和太阳日的时差。由此，央斯基最终确认，这个信号是来自宇宙深处的射电信号，并且信号来自银心方向。这标志着射电天文学的诞生。

脉冲星的发现复刻了这一经典模式。

1967年，乔斯林•贝尔发现脉冲星时所采用的观测模式和央斯基相同，也是“中星仪扫描”（漂移扫描），借助地球自转让望远镜的指向扫过天空。和央斯基一样，贝尔也发现一个信号每天提前约四分钟出现。作为优秀的天文工作者，贝尔也很快意识到这个信号非同寻常，它一定来自宇宙深处。在较高的时间分辨率下，可以看到这个信号是一系列周期性脉冲。由此，贝尔发现了第一颗脉冲星。

目前，世界最大的单口径球面射电望远镜是我国的五百米口径射电望远镜——中国天眼（FAST）。FAST于2016年9月25日建成，此后开始了紧张的调试。作为调试的重要内容，在FAST还不能稳定跟踪观测目标的时候，我们开展了中星仪扫描模式。这个选择正是基于央斯基和贝尔的经验。到2017年8月初，有了性能更好的致冷超宽带接收机，也有了足够的经验后，喜从天降，我们从数据中发现了一个脉冲星候选体，其大致位置、周期和色散都与已知脉冲星不同。为了避免误报，我们和先贤一样，又进行了几次观测，以确认这个信号并非干扰，最终将其证认。这个候选体出现的时间也是“每天提前四分钟”，这是FAST发现的第一颗脉冲星。

/ FAST的系统性脉冲星发现：

同时脉冲星巡天和银道面巡天等

“中星仪扫描”脉冲星搜寻在FAST具备跟踪能力，开始正常观测之后仍然在继续进行，只是变换了一种形式。“中星仪扫描”是银河系以及河外中性氢巡天的重要观测模式。由于射电观测中光子数较多且可以通过电子线路实现放大，信号可以分为多路，接入不同后端。由此，FAST 实现了“同时观测多种科学目标”。

FAST在开展中性氢巡天的同时，也进行了脉冲星搜寻。这是一项高难度挑战。中性氢巡天需要注入用于流量定标的定标噪声，因为需要探测银河系中性氢中的小尺度结构，这种噪声的周期不能太长。然而，这样的周期性噪声和脉冲星信号非常类似，通常的定标噪声注入，会导致脉冲星搜寻完全无法进行，而FAST为了能在探测银河系中性氢的同时搜寻脉冲星，创新性地注入了高频噪声信号（频率高于通常的脉冲星自转频率），这使得在对银河系中性氢观测定标的同时，也可以进行脉冲星搜寻。借此方法，FAST在探测银河系中性氢的同时发现了超过两百颗脉冲星。

鉴于迄今发现的绝大多数脉冲星都位于银河系内，所以在银盘附近脉冲星发现概率更高。FAST进行了银道面脉冲星巡天，采用了大天区盲巡的方式，每个方向积分5分钟，目前已经发现了超过800颗脉冲星。

另外，FAST的河外中性氢星系巡天通常要避开银道面，虽然预期同时搜寻脉冲星的效率要低于在银河系中性氢巡天时搜寻脉冲星，但是通过优化数据存储策略和采用更高效的搜索算法，FAST近期也开始在河外中性氢巡天的同时搜寻脉冲星，并且在今年开始发现脉冲星。

/特定目标的脉冲星发现：

球状星团、伽马射线点源和超新星遗迹

球状星团是百万颗小质量恒星聚集在一起形成的古老天体，其演化年龄被认为长达百亿年。作为支持上述论断的证据之一，其中发现的脉冲星大多为毫秒脉冲星和脉冲双星，并且在很多球状星团中发现了不止一颗脉冲星，有的球状星团中的脉冲星数量甚至高达数十颗。多数情况下，FAST的波束可以覆盖一个球状星团。所以，球状星团脉冲星巡天是目标明确的观测项目——既可以充分发挥FAST的灵敏度优势以发现新的奇特脉冲星，也可以同时监测其中的已知脉冲星并开展计时研究。

M92A的基本情况，三角形阴影区域表示双星间物质导致脉冲星信号掩食的区域，两个圆形阴影分别表示氦星本身和氦星的洛希瓣。观测者位于右上方，图片AI生成

因为目标明确，相比盲巡，可以将更多观测时间投入到同一目标，进行长时间跟踪观测。这种长时间跟踪观测结合创新的搜索方法，可以帮助我们发现更多暗弱的以及受星际闪烁影响较大的球状星团脉冲星。结合多种搜索方法，FAST已发现超过60颗球状星团脉冲星，将FAST观测天区中的已知球状星团脉冲星数量激增200%。这些发现包括了轨道周期仅53分钟的脉冲双星、轨道偏心率高达0.985的脉冲双星，以及若干个处于脉冲星和伴星相互作用且存在物质吸积的被称为蜘蛛类脉冲星的奇特天体。

另一方面，这些球状星团跟踪观测的数据不仅可以用于脉冲星搜寻，也可以在脉冲星发现后，用于脉冲星计时。这些计时工作已获得了至少三颗之前发现但尚未完成计时的脉冲星的位置和周期变化率等重要参数，实现了观测数据的高效利用。

毫秒脉冲星是普通脉冲星长期演化过程中吸积伴星物质并由此自转加速形成的。长期的演化使得毫秒脉冲星有足够的时间远离银盘，形成接近全天均匀分布的状态。因此，毫秒脉冲星的搜索依赖于不同的观测技术，其发现的主要来源除了银盘附近区域的巡天外，主要是球状星团和伽马射线点源。因此，搜索伽马射线点源的射电信号是发现奇特脉冲星的另一重要途径。FAST也探测到了不少伽马射线点源的射电信号，并证实这些点源其实就是脉冲星。

另外，FAST还找到了和超新星遗迹成协的脉冲星。这些脉冲星对于研究超新星遗迹提供了重要的观测信息，也增加了年轻脉冲星这一难得的样本。

/ FAST的重要发现

基于这些巡天观测，FAST在脉冲星物理领域取得了一系列突破性成果，不仅揭示了新的自然规律或者验证了经典的天文学理论，甚至创造了新纪录。

【揭示双星演化关键证据】

如果脉冲星有伴星，就是所谓的脉冲双星。在脉冲双星中，伴星可能是一颗普通的恒星，也可能是一颗性质特殊的恒星，例如氦星。PSR J1928+1815是FAST发现的一个脉冲星双星系统，伴星是一颗氦星。对这个系统的研究可以帮助我们更深入地了解双星的演化过程。

脉冲双星和毫秒脉冲星的形成有直接联系，而毫秒脉冲星中的一部分特别稳定的脉冲星构成了现在探测纳赫兹引力波的基础——脉冲星计时阵。经典理论认为，脉冲星吸积伴星物质并由此自转加速最终形成毫秒脉冲星，在这一演化过程中双星轨道周期先缩短再延长，最终脉冲星推开伴星形成孤立毫秒脉冲星。这一理论有数十颗所谓的蜘蛛类脉冲星作为观测证据。比如，M92A是FAST发现一个脉冲星双星系统，伴星是一颗普通恒星。这个系统有明显的掩食，在轨道相位0.15到0.35之间，伴星完全遮挡了脉冲星的信号。通过掩食的研究，我们可以了解脉冲星信号在伴星大气中的传播，评估伴星大气对脉冲到达时间的影响。这是一个典型的蜘蛛类脉冲星，双星间有明显的相互作为，理论认为这是吸积阶段的脉冲双星，称之为redback。如果吸积结束，往往能看到伴星只有不到3%的太阳质量，这类被称为black widow。然而，二者演化的中间阶段根据理论预言，双星距离特别近且轨道周期可能短于1小时，因而很难探测。

M71E是FAST发现的一个脉冲星双星系统。这个双星系统的轨道周期只有53分钟，刷新了脉冲双星轨道的最短周期记录，其伴星是一颗小质量恒星。通过分析种种观测迹象并结合双星演化模型，我们认为M71E正处于毫秒脉冲星形成过程中的极端阶段——双星距离非常近，轨道周期非常短。换言之，FAST找到了脉冲星双星系统演化的关键证据。

【发现“矮脉冲”】

在相关辐射机制等天体物理研究方面，FAST也凭借其空前的灵敏度完成了前沿研究。比如，大部分脉冲星的辐射是相对稳定的，一直都会发出脉冲。但有一些脉冲星存在“消零”现象，即在某些时候探测不到它们发出的脉冲，通常认为这是因为它们的辐射不稳定，在消零的时候不发出脉冲。但FAST凭借其高灵敏度，在脉冲星看似沉默的时端发现了一类新的暗弱脉冲，这些脉冲被称为“矮脉冲”。

【助力引力波探测】

脉冲星也被用于研究星际介质和探测引力波。FAST高灵敏度、高信噪比的动态谱，可以帮助天文学家探测到较弱的星际闪烁，增进对星际闪烁的认识。借助FAST，我们得以更深入地了解脉冲星计时中的各种效应，从而得到更高的计时精度，这为引力波探测奠定了坚实的基础。基于FAST数据的中国脉冲星计时阵（CPTA）已经给出了纳赫兹引力波背景存在的初步证据。纳赫兹引力波的探测是公认的具有冲击诺贝尔奖潜力的科学研究。

/ 结语：一切过往皆为序章

经过数年的努力，FAST已经发现了超过1200颗脉冲星（截至2026年8月）。基于这样的大样本，在其中发现了一些特殊的脉冲星，这些脉冲星的研究为我们理解恒星演化提供了重要信息，在一定程度上加深了我们对宇宙的认识。然而，关于脉冲星，仍然有未知的参数空间等待我们开拓，仍然有谜题等待我们解答。我们所能做的就是不断提升FAST的性能，不断改进我们的方法，坚持观测，坚持探索。