毫秒脉冲星的自转周期精度极高，天文学家们目前对其进行的测量精度已经达到了10亿亿分之一的量级(10的18次方分之一)。他们对于脉冲星的信号抵达地球的时间预报精度已经达到100纳秒(1纳秒等于10亿分之一秒)的水平。由于这样的信号极其精确，因此任何最细微的变化都能够揭示在脉冲星周围以及信号在太空中传播过程中所发生的事件。

一颗脉冲星示意图

　　在太空中弥漫分布着稀疏的尘埃与气体物质，它们被称作星际介质，这些物质会阻挡和发散来自脉冲星的信号。通过对脉冲星信号的衰减，强度以及发散程度进行测量，天文学家们能够了解星际介质的性质，而后者在恒星与星系形成以及演化方面都扮演着关键角色。

　　在脉冲星周围是帮助它加速自转的伴星。科学家们想要了解这颗伴星有多大，它是如何随着时间推移而发生演化的。比如变化的磁场将如何影响其外形以及轨道性质。对于这些，脉冲星信号的延迟，调幅以及其他性质的变化都在向天文学家们透露着这颗伴星的诸多性质以及它与脉冲星之间的互动状态。

　　得益于对脉冲星极高精度的测定，天文学家们现在可以察觉脉冲信号中哪怕最细微的变化以及它背后的引力作用。在1992年，天文学家们在一颗毫秒脉冲星的周围发现了一个行星系统，这是人类发现的第一个太阳系外行星系统。来自行星的引力影响造成脉冲星发生轻微晃动，从而对其抵达地球的脉冲信号产生极细微的影响。以库卡尼发现的毫秒脉冲星PSR B1937+21为例，近期对其脉冲信号的精密分析同样显示这颗脉冲星周围可能存在一些小型天体，其大小可能与小行星的大小接近。

　　通过对这类信号在射电波段，有时候甚至是在X射线乃至γ射线波段的观测非常重要，因为这是天文学家们了解和研究奇异的脉冲星系统唯一的的途径。同时这也是研究脉冲星独特组成与机构状况的唯一途径。

　　从本质上说，脉冲星基本就是一颗巨大的原子核。一般认为它们可能拥有一层薄薄的大气层，厚度不超过10厘米。其中的主要成分则是氦，氢和碳，而其最外侧的“地壳”的主要成分则是铁。而如果你继续向其内部进发，那里的物质密度将变得更高，是几乎完全由中子组成的奇异物质。当然，这些都只是理论模型得到的结论，根本不可能登陆或钻进一颗脉冲星开展实地考察。

　　然而毫秒脉冲星可以为我们提供线索。它们发出的脉冲信号让天文学家们可以精确测定它们的轨道并据此定出它们的质量，而这一数据是理论学家们限定并提出新模型和假想理论的基础。在整个宇宙中，除了这里你找不到其他具备如此高的密度和压力环境的地方。对于物理学家们而言，脉冲星就是开展极端条件物理实验的天然实验室，甚至可能在这里找到全新的物质形态。

　　赫塞尔斯说：“这简直是一个奇迹：在宇宙中竟会存在这样的天体，能够让我们去涉足物理学中一些原本根本无法触及的领域。”

宇宙中最精确的时钟

　　检验爱因斯坦的理论

　　这样的领域就包括引力本身。爱因斯坦的广义相对论将引力描述为时空的扭曲，并且在那之后，这一理论预测已经经受住了一次又一次的实践检验。然而在脉冲星附近的超高密度物质以及超强引力场环境下，广义相对论是否仍然有效？要知道唯一能够在密度和引力强度上超越中子星的就只剩下黑洞了。而要想找出这个问题的答案，研究人员就必须对来自脉冲星的信号进行分析。

　　近期，赫塞尔斯所在的一个研究组发现了一个位于三星系统内的毫秒脉冲星。这个系统中除了这颗脉冲星之外，另外两个成员都是白矮星——同样是恒星爆发衰亡之后的遗骸，与中子星之间的差异就在于形成白矮星的恒星质量不如形成中子星的恒星质量那么大。这种奇异的组合提供了检验广义相对论的一个绝佳机会：等效原理。

　　等效原理是爱因斯坦广义相对论中的一项核心原则，其可以简单地表述为：引力对于任何人和任何事物都是等效的。或许其中最有名的案例便是1971年美国宇航员戴夫·斯科特(Dave Scott)在月面上利用一把锤子和羽毛进行的一项自由落体实验。实验的结果当然是这两者同时落到月面上，从而证明了月球引力作用对于这两个物体产生的作用是相同的。与之相似的，研究人员想要了解在这一特殊的三星系统内，其中一颗白矮星对脉冲星施加的引力作用是否与另外一颗白矮星对脉冲星施加的引力作用是相同的。目前这项研究工作还尚未开始进行，但他们表示一旦开展，这将是迄今对于等效原理最为精确的一次检验。

　　当然，到目前为止还没有任何实验结果表明爱因斯坦的理论是错误的。对于相对论最为有力的一项证明来自哈尔斯和泰勒两人发现的脉冲星双星系统，他们的观测进行时人们还尚未发现毫秒脉冲星，但那项观测证实了引力波的真实存在。不过哈尔斯和泰勒所做的那项观测仍然是间接的，他们只是通过对这两颗脉冲星轨道参数的测量，并进而推断出引力波的存在。时至今日，对引力波的直接探测仍然尚未成功。

　　不过，科学家们正在努力开展这方面的尝试，如在地面上建设了“极光干涉引力波观测台”(LIGO)，其设计目标是直接检测宇宙中由于中子星或黑洞相撞时可能产生的引力波信号。这一设施的第一阶段运行在2002年至2010年间进行，但结果是一无所获。但经过大规模升级之后，该设施即将在今年秋季开始第二阶段运行。

　　与此同时，一个国际合作的引力波探测项目也正在进行，他们将要借助的有力工具正是毫秒脉冲星。哈尔斯参与了这一项目，是该项目欧洲小组的成员，他表示：“基本的想法是将这些毫秒脉冲星充当星系级GPS系统”。当宇宙深处的引力波扫过地球时，地球将会发生轻微晃动，就像是漂浮在水面上的浮标随波上下起伏一样。这样的波动将会影响到脉冲星信号抵达地球的时间。

　　在过去的几年间，天文学家们一直在致力于升级他们的设备，不断提升对十几颗最佳“太空时钟”的计时精度测定值。他们希望这项研究将很快就能有所发现。因格里德·斯特尔斯(Ingrid Stairs)任职于加拿大不列颠哥伦比亚大学，是该国际项目北美小组的成员。他表示：“在未来5年左右的时间内，我们有足够的理由预期将可以借助这种方法探测到引力波信号。”

　　不过，斯特尔斯认为LIGO项目有可能在这方面领先于他们。但反过来说，LIGO的设计目标是探测数倍于太阳质量的中子星或黑洞相互合并时产生的引力波信号，而脉冲星方案所要探测的目标则是超大质量黑洞，即质量相当于太阳数百万乃至数十亿倍的超级黑洞之间相互碰撞时产生的引力波信号。因此，斯特尔斯指出：“这两个项目所针对的并非相同的探测目标，因此即便最终LIGO计划真的在我们之前探测到引力波信号，这也并不意味着我们的工作就失去了意义。”

　　但不管在这场引力波探测的竞赛中最终究竟是哪一方取胜，通过以上这些案例已经充分证明了毫秒脉冲星是我们理解一系列宇宙现象的有力工具。库卡尼表示：“它是大自然给与我们的馈赠。它是一座位于天宇之中，精密的物理学实验室。”人类在大约30多年前收到了这份大自然的礼物，即便在当时这个礼物似乎并不显得起眼，但对于现在的我们来说，这无疑是一份珍贵的厚礼。(晨风)

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