什么是脉冲星？脉冲星有何意义？

相信大家通过网络已经对脉冲星有了初步的认识，它就是高速自旋的中子星，如图１所示。那我今天重点讲一下自转周期为毫秒级的脉冲星（毫秒脉冲星）在空间导航中的意义。在近地轨道空间，全球导航卫星系统（GNSS）可以满足地球表面设施、空间飞行器的米级导航精度。但当飞行器一旦进入深空，人类的测控手段就比较少了，地面站测控也存在着信号延迟等问题。实现深空航天器的完全自主导航是空间科学家的一个梦想。而毫秒脉冲星发出的稳定周期脉冲信号非常类似于GNSS观测信息，不仅可以提供距离测量信息进行位置确定，而且周期信号中还包含了授时信息，这是天文导航所不能比拟的。

图１脉冲星示意图

尽管其最终要用于深空自主导航，但不同组织都不约而同地在近地轨道空间争相开展脉冲星导航的实验。2016年11月，中国航天科技集团发射了脉冲星试验卫星（XPNAV-1），事后数据分析表明可提取X射线波段的蟹状星云（Crab）脉冲信号。2017年，中科院高能所和空间应用中心科研人员利用天宫二号上的伽马暴偏振探测器（POLAR）观测数据完成了我国首次脉冲星导航空间实验，提取了Crab脉冲信号，如图2所示，并进行了天宫二号的位置解算，精度达到10公里左右。

图2 左图：Crab星云（图片来自哈勃官网），右图：POLAR对Crab脉冲星的观测结果

美国NASA在X射线脉冲星导航方面的研究就更进一步了。NASA在国际空间站上开展了中子星内部组分探测研究（NICER），并在其中部署了X射线计时和导航技术验证项目（SEXTANT）。该项目从2017年6月开始在国际空间站上开展在轨实验，并于2017年底证实其成功完成首次空间在轨X射线脉冲星导航技术验证。在轨定轨精度可达到5公里，如图3所示，通过进一步调试，定轨精度有望达到1公里。同时还验证了利用X射线脉冲星进行授时的可行性。所以未来X射线脉冲星观测有望成为类似于GNSS的导航系统，服务于地月以远的深空，甚至是太阳系外的飞行器。这就是脉冲星在导航方面的重大意义。

最后补充一句：我国天宫二号安装的POLAR探测器并不是为脉冲星导航实验专门设计的，测量的是高能段X射线，光子流量比较少，而且探测面积也不大，这也是在POLAR导航精度要稍差于SEXTANT项目结果的一个重要原因。

图3 Crab脉冲星导航结果，位置精度优于5公里（来自于SEXTANT项目）

脉冲星，其实就是具有强大磁场且高速自转的中子星。从它磁极发出的辐射随着自转会周期性扫过地球，使得我们观测到短周期脉冲信号。中子星很小，半径只有10公里左右，但其质量却很大，通常有太阳的1.4倍那么重。要改变这么重的物体的运动状态是很难的，所以中子星的自转很稳定。原则上，如果不受其他因素影响，那么我们就能看到脉冲星每隔固定的时间就发出一个脉冲信号。

自从1967年英国女天文学家贝尔在她的导师休伊什指导下发现首例脉冲星至今，人们又探测发现到的脉冲星约1000多颗，其中绝大多数是射电脉冲星。

科学家把射电脉冲星形象地解释为“灯塔”效应，因为它们的辐射束会周期地扫过，所以地球上可接收到这种极有规律的节奏脉冲信号。这种周期性的脉冲就像人体的脉搏有规律的跳 动、脉冲周期有的只有几十分之一秒，甚至更短；长的也只有三四秒，脉冲之名就由此而得。一般符号为“PSR ”，后面数字指它在天球上的赤道坐标“赤经和赤纬”。例如：PSR1919 21，指的是脉冲星位于赤经19h19m，赤纬 21°。

脉冲星刚发现还没有证实时，人们还以为是外星人发来的讯号，“小绿人”的故事由此引发。天文学家通过继续观察认为，如果信号果真是“小绿人”发出的，他们应该居住在某个行星上，行星绕它的恒星“太阳”转动，应该引起脉冲星间隔时间的变化，然而没有观测到这样变化。到1969年1月底，进一步的观测记录和对以往记录的详细检查使天文学家确信，另外有3个源也会发出类似的脉冲信号，于是“小绿人”的假说不成立。因为天上相距如此遥远的4个地方的“小绿人”不可能会约好用同样的频波，向地球发信号的。随后新的观测事实进一步证实他们是发现了新的天体，那就是快速自转的中子星的特例—脉冲星。

脉冲星的发现与研究取决于射电天文技术。有人认为脉冲星辐射的能量是靠消耗它自身的自转能而来的，随着脉冲星不断地辐射能量，它的自转则逐渐变慢，这就是脉冲星周期缓慢变长的原因。实际上，脉冲星上的能量转化过程是十分复杂的，“自转能”首先转变为“低频的磁偶极辐射 ，然后再转化为“高能粒子的能量”和“电磁辐射的能量”，目前，关于这种能量转化的机制人类还不十分清楚。