宇宙干草堆中的一根针
银河系中心是已知宇宙中最极端的环境之一。在包含太阳质量约四百万倍的超大质量黑洞人马座A*周围，存在着气体、尘埃、强辐射和引力的漩涡，这些力量扭曲了时空本身的结构。科学家长期以来认为脉冲星——快速自转的中子星，发射像宇宙灯塔一样的无线电波束——应该存在于这个区域，但发现它们已被证明极其困难。现在，来自哥伦比亚大学的研究团队做到了这一点，在星系中心发现了一颗候选毫秒脉冲星，其自转周期仅为8.19毫秒。
这项发现已在《天体物理学杂志》上发表，来自Breakthrough Listen银河系中心巡天项目，这是迄今在我们星系混乱中心进行的最灵敏的无线电调查之一。由哥伦比亚大学最近的博士毕业生Karen I. Perez领导，并由哥伦比亚天体物理实验室的Slavko Bogdanov联合撰写，该研究代表了多年的耐心观测和数据分析工作，使用了位于西弗吉尼亚州的Green Bank Telescope。
为什么毫秒脉冲星很重要
脉冲星是在超新星爆炸中结束生命的大质量恒星的坍缩残骸。剩下的是一颗极其密集的中子星——一个大约城市大小的球体，但包含比太阳更多的质量——它快速自转并发射聚焦的电磁辐射束。当脉冲星旋转时，这些光束像灯塔光束一样扫过太空，产生可被地球上的无线电望远镜检测到的规则脉冲。
毫秒脉冲星是一个特殊的亚类，自转特别快，每秒完成数百次旋转。它们非凡的自转速率使其定时行为非常稳定——在某些情况下可与原子钟的精度相媲美。这种稳定性使它们成为基础物理实验中无价的工具，因为它们预期定时中的任何偏差都可能显示外部力的影响，包括引力。
在人马座A*附近发现的候选脉冲星每8.19毫秒完成一次完整旋转，牢牢地落在毫秒类别中。以这种速率，它每秒自转约122次——对于质量可能超过太阳的天体来说是一个惊人的数字。
爱因斯坦理论的实验室
围绕这一发现的科学兴奋远超发现另一颗脉冲星的范围。一颗靠近超大质量黑洞运行的毫秒脉冲星将创造物理学家所称的理想自然实验室，用于在无法在地球或可观测宇宙其他任何地方复制的条件下测试广义相对论。
爱因斯坦于1915年发表的广义相对论预测，大质量物体扭曲了它们周围的时空几何。在超大质量黑洞附近，这些扭曲效应变得极端。从毫秒脉冲星穿过这种扭曲时空传出的精确定时信号将携带可测量的异常——脉冲模式中细微但可检测的偏差，编码有关引力环境的信息。
通过在数月和数年内仔细监测这些定时异常，科学家可以测试广义相对论的预测是否在最极端的引力条件下成立。观测行为与预测行为之间的任何差异都可能指向超越爱因斯坦框架的新物理学，可能为理解量子水平上的引力本质提供线索——这是现代物理学中最深层次的未解问题之一。
检测的挑战
在星系中心附近寻找脉冲星由于几个原因极其困难。该区域充满了分散和吸收无线电信号的气体和尘埃，这种现象称为星际散射。这种散射扩展和扭曲脉冲星信号，使其更难与背景噪声区分。这种效应在较低无线电频率处特别严重，这就是为什么研究团队使用Green Bank Telescope的高频能力来克服干扰。
此外，星系中心附近无线电源的密度巨大，造成了复杂的背景噪声，使信号识别复杂化。Breakthrough Listen巡天项目采用了复杂的信号处理算法来筛选大量数据，搜索区别脉冲星与其他无线电源的周期特征。
尽管进行了数十年的搜索，在人马座A*附近确认的脉冲星很少。检测稀缺本身一直是一个谜——模型预测星系中心应该有数千颗脉冲星，但只有少数被发现。每一次新发现都有助于限制我们对这一极端环境中脉冲星种群的理解。
仍需确认
研究人员谨慎地将其发现分类为候选而非已确认的脉冲星。后续观测正在进行中，以验证检测并排除观测信号的替代解释。信号的周期特性和频谱特征与毫秒脉冲星一致，但需要来自额外观测时期的独立确认才能将该发现视为最终确定。
研究团队通过公开发布数据的举措反映了现代天体物理学的合作精神，鼓励世界各地的天文学家独立分析观测数据。这种开放方式加速了验证过程，使更广泛的科学界能够对这项可能具有划时代意义的发现做出贡献。
展望未来
如果得到证实，这颗脉冲星将加入已知星系中心附近脉冲星的非常小的俱乐部，并将是在该区域发现的第一颗毫秒脉冲星。其快速自转——提供高精度定时——与其与我们星系中最大质量物体的接近相结合，创造了天体物理学家几十年来一直追求的科学机会。
包括目前在澳大利亚和南非建造中的Square Kilometre Array在内的下一代无线电望远镜将具有更高的灵敏度来检测具有挑战性环境中的脉冲星。但就目前而言，Green Bank Telescope和Breakthrough Listen项目已证明，只要有足够的耐心、灵敏度和分析复杂性，星系中心就会开始揭示其秘密——一次一个脉冲。
本文基于Science Daily的报道。阅读原文。
