9 月 6 日，本年的根底物理学特别打破奖颁给了英国天体物理学家乔瑟琳・贝尔・伯奈尔，以赞誉她发现脉冲星、以及曩昔五十年间在科学界表现出的鼓舞人心的领导力。
脉冲星到底是一种什么星？它的发现有何意义？寻觅系外行星、勘探引力波又跟它有什么关系？
脉冲星是一类具有强壮磁场且高速自转的中子星。从它磁极宣布的辐射跟着自转会周期性扫过地球，使得咱们观测到短周期脉冲信号。中子星很小，半径只要 10 公里左右，但其质量却很大，一般有太阳的 1.4 倍那么重。要改动这么重的物体的运动状况是很难的，所以中子星的自转很安稳。原则上，假如不受其他要素影响，那么咱们就能看到脉冲星每隔固定的时刻就宣布一个脉冲信号。
中子星巨细示意图
不过，" 原则上 " 的意思就是说：实际上并不是！实际中有许多的要素在影响着脉冲星脉冲信号的时刻间隔。这些影响由近及远别离有地球自转、太阳系天体运动（首要是大行星的公转）、星际空间的改动、脉冲星周围可能存在的其他天体等。经过丈量脉冲星脉冲抵达地球的时刻的改动，咱们就能测出这些影响，并进而估测影响要素的物理特性。这种观测办法被称为 " 脉冲星计时 "。在寻觅行星和勘探引力波时，脉冲星计时都发挥着重要的效果。
寻觅 X 行星
以为太阳系存在未被发现的大行星的风闻撒播已久。地理学家用笔算出海王星后，一度以为还存在一个坐落海王星轨迹之外的大行星。即便在冥王星发现之后，仍是有人以为在冥王星之外还有大行星，不然不能很好地解说海王星轨迹的改动。这颗行星就是传说中的 X 行星。尽管现在海王星的轨迹问题现已处理，但仍有人依据其他的蛛丝马迹，提出 X 行星的猜想。在一直未能观测到 X 行星的当下，咱们有什么办法能够估测 X 行星的存在与否呢？脉冲星计时就能给出依据！
上面说到，太阳系中的天体运动会影响脉冲星脉冲的抵达时刻。直观上的影响，行星的运动会改动太阳系质心方位，相当于太阳系发作了全体的移动，导致地球与脉冲星之间的间隔发作改动。假如考虑相对论效应，不同方位的行星能发作不同的引力场，然后改动地球与脉冲星间的间隔。关于已知的行星，咱们能够核算出它们对脉冲的影响。在消除已知天体的影响之后，剩余的天然就是不知道天体的影响。
太阳系首要天体运动示意图
2005 年，美国普林斯顿大学的研讨人员就用脉冲星计时测算过，定论是：在距太阳 200 地理单位（地理单位为地球与太阳之间的均匀间隔）之内，不存在木星质量巨细的不知道天体。假如今后用更高精度的脉冲星计时数据核算，应该能知道间隔太阳 60 个地理单位之内（相当于柯伊伯带之内）有没有地球质量巨细的不知道天体。
寻觅系外行星
咱们能经过脉冲星计时来勘探太阳系内有没有不知道行星，那能不能勘探脉冲星边上有没有行星在围绕着它转呢？当然能够了！其实这更多的是意料之外的成果。咱们知道，中子星发作于超新星爆破。超新星爆破的能量是非常惊人的。一般以为经历过超新星爆破之后，恒星周围的行星不太可能还安然无恙。但不管怎么样，脉冲星用事实通知地理学家，它不仅能够有行星，还能够有好几颗行星！
在 1990 年的时分，波兰地理学家亚历山大・沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）运用阿雷西博望远镜发现了一颗毫秒脉冲星，名为 B1257+12。经过对这颗脉冲星的脉冲星计时观测，沃尔兹森惊奇的发现，在去除已知天体的影响后，这颗脉冲星还遭到别的的规律性影响，而最为合理的解说是：它有两颗行星！到了 1994 年，进一步的研讨承认这颗脉冲星还有第三颗行星。这三颗行星就是人们最早发现的系外行星。其中最开端发现的两颗行星里，有一颗质量只要 0.02 倍地球质量，仅比月球稍大。这颗系外行星长时间保持着 " 人类已知的质量最小的系外行星 " 的称谓，直到 2012 年才被开普勒卫星的新发现打破。
B1257+12 及其行星幻想图
直接勘探引力波
脉冲星周围的行星都能经过脉冲星计时观测到，那假如脉冲星边上有一颗恒星，岂不是更简略发觉了？早在 1975 年，其时仍是学生的拉塞尔・赫尔斯（Russell Hulse）就运用阿雷西博望远镜发现了首例处于双星体系中的脉冲星。经过脉冲星计时观测，能够知晓这颗脉冲星的伴星也是一颗中子星。只不过这颗中子星的辐射束不扫过地球，所以咱们看不到它的脉冲信号。
这颗脉冲星和中子星伴星的质量都是 1.4 倍太阳质量左右。它俩最挨近的时分，间隔只要 1.1 倍太阳半径那么近！这样的双星体系会明显地因发射引力波而丢失能量，成果就是双星体系的轨迹会越来越挨近，绕转周期越来越短。经过脉冲星计时观测，人们发现其轨迹改动成果很好地契合了相对论的预言。这一作业让赫尔斯和他的导师约瑟夫・泰勒（Joseph Taylor）取得了 1993 年的诺贝尔物理学奖。
脉冲星及其伴星示意图。绿色网格表明周围引力场。
一个更准确的作业是澳大利亚科学家做出来的。2003 年，澳大利亚的帕克斯望远镜发现了一个双脉冲星体系，就是彼此绕转的两颗中子星的辐射束都扫过地球，即都是脉冲星。这两颗脉冲星之间的间隔更近，相对论效应更强。由于引力波辐射导致的能量损耗，让它们之间每天要接近 7 毫米。又由于这两颗都是脉冲星，经过脉冲星计时能够对它们的轨迹改动做出更为精准的丈量，终究得到定论：引力波理论预言的准确度到达 99.95%！
脉冲星计时阵列直接勘探引力波
除了上述对双星体系中的脉冲星进行计时观测，然后直接勘探引力波之外，咱们还能用 " 脉冲星计时阵列 " 来直接勘探引力波信号。
什么叫 " 脉冲星计时阵列 "？
其实就是选几颗脉冲星，隔几天做一次脉冲星计时观测。或许有人会问，美国的激光干与引力波地理台 （LIGO）不是现已勘探到引力波，还拿了诺贝尔奖吗？为什么还需求脉冲星计时阵列来勘探呢？
关于 LIGO 项目，简略来说，就是在两条彼此笔直、长度达 4 公里的管道内通上激光。在引力波的影响下，这两条管道的长度会发作规律性的改动，导致激光干与成果发作改动。换言之，经过丈量激光干与成果的改动，咱们就能够捕捉引力波。
LIGO 原理示意图
引力波勘探项目远不止 LIGO 一个。另一个闻名的方案是欧洲空间局主导的太空激光干与仪（LISA）。这组勘探器将用 3 颗卫星排布成边长为 250 万公里的等边三角形，并相互发射激光。与 LIGO 原理相似，若经过激光丈量出卫星之间间隔发作某种规律性改动，就能够捕捉到引力波的信息。中国科学院提出的空间太极方案和中山大学提出的天琴方案，也是相似的空间引力波勘探项目。
LISA 方案示意图
聪明的你或许现已能联想到了，脉冲星计时阵列勘探引力波，其实就是把脉冲星作为信号源来丈量脉冲星到地球之间间隔的改动。假如咱们发现多颗脉冲星一起发作某种规律性改动，那么咱们就勘探到引力波啦！
脉冲星计时阵列示意图。绿色网格代表受引力波影响而颤动的时空。
那终究为啥咱们需求脉冲星来勘探引力波呢？
咱们上面说到的 LIGO、LISA 还有脉冲星计时阵列，它们最大的差异是什么？
间隔！
LIGO 管道长度是 4 公里；LISA 方案边长是 250 万公里；而脉冲星到地球之间的间隔，一般要用 " 千秒距离 " 作单位。一千秒距离大约等于 3 亿亿公里（留意，并不是我手抖多打一个亿）。
这些巨细不一的勘探设备，其实是为了勘探不同波长的引力波。而不同波长的引力波往往对应着不同的地理事情。比方，最小的 LIGO 勘探的引力波波长最短，能够由双中子星兼并、恒星级黑洞兼并发作；LISA 勘探的引力波波长长一些，可能来自银河系内黑洞兼并，或是超大质量黑洞与细密天体彼此效果；脉冲星计时阵列观测的引力波波长更长，能够窥视星系中心黑洞兼并事情。这样看来，用脉冲星计时阵列来勘探引力波仍是很有必要的。
运用脉冲星计时阵列勘探引力波，需求经年累月地对多颗周期安稳的脉冲星进行观测，而直到现在还没能勘探到引力波信号。对更多的脉冲星，做更高精度的观测，将使咱们更简略勘探到引力波。FAST 作为世界最大的单口径射电望远镜，有望能够找到更多能够用来勘探引力波的脉冲星。一起，咱们将来也能用 FAST 对脉冲星计时阵列中的脉冲星做更好的观测。未来，FAST 必然能够协助科学家更好地勘探引力波。此外，我国科学家一直在参加的世界共建的平方公里阵（SKA）和中国科学院新疆地理台提出的奇台 110 米射电望远镜（QTT）项目都在有条有理地推动着。这些强壮的设备，日后定能助力引力波的勘探。
结语
运用脉冲星计时观测，咱们小到能够发现比月亮略重的行星，大到能够勘探两个星系中心黑洞兼并事情。阿雷西博望远镜经过对脉冲星的计时观测直接勘探到引力波，取得诺贝尔奖。也许比及用脉冲星计时阵列直接测到引力波的那天，还能再拿一个诺贝尔奖呢！
