從外星人的訊息到宇宙的節拍器，脈衝星的故事充滿了驚奇和曲折。這個發現不僅讓我們對宇宙有了更深入的了解，也讓我們反思科學研究中的合作與貢獻。

宇宙的節拍器 – 1.33730113

你相信外星人嗎？1967年，英國劍橋大學的一群天文學家，包括年輕的研究生喬瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell），在觀測宇宙時，意外接收到了一段神秘的無線電訊號。這個訊號非常特別，它每隔1.33730113秒就會重複一次，精準得就像一個宇宙的節拍器。

Jocelyn Bell, 2018

外星人的訊息？

一開始，科學家們都非常興奮。他們懷疑，這會不會是來自外星文明的訊息？畢竟，如此規律的訊號，似乎只有高度發達的文明才能產生。於是，他們將這個訊號戲稱為「小綠人」（Little Green Men，簡稱LGM）

解開謎團：脈衝星的誕生

經過長時間的觀測和分析，科學家們逐漸排除了外星文明的可能性。他們發現，這種訊號來自於宇宙中一個非常遙遠的天體，而且這個天體在高速旋轉。最終，貝爾在論文導師要求下，再用另一組望遠鏡核對數據，他們確定，這個神秘的訊號源自於一種全新的天體——脈衝星。那顆星現在被命名為PSR B1919+21。

脈衝星其實是一顆死亡恆星的超高密度核心，也就是中子星。由於中子星的自轉速度非常快，它強大的磁場會產生一束束電磁波，就像一座宇宙燈塔一樣。當這束電磁波掃過地球時，我們就會接收到周期性的脈衝訊號。

Anthony Hewish , 2021

諾貝爾獎的爭議

1974年，脈衝星的發現者安東尼·休維什（Anthony Hewish）教授獲得了諾貝爾物理學獎。然而，他的學生喬瑟琳·貝爾卻被遺漏了。這在當時引起了很大的爭議。許多人認為，貝爾在發現脈衝星過程中所做的貢獻是不可磨滅的，她理應分享諾貝爾獎的榮譽。

儘管如此，貝爾本人對此並沒有過多的抱怨。她繼續在天文研究領域做出卓越的貢獻。而脈衝星的發現，則徹底改變了我們對宇宙的認識，開啟了天文學研究的新篇章。

備註:在2018 年Belfast Telegraph的專訪中，貝爾提及「我認為，如果諾貝爾獎頒發給研究生(當時)，那會貶低諾貝爾獎，除非是非常特殊的情況，而且我不認為這是其中之一。終於，她在一旁高興地說。 “我自己並沒有為此感到不安——畢竟，我有很好的同伴，不是嗎？”」

脈衝星是如何形成的

從Penn State University表示，當一顆質量約為太陽 4 至 8 倍的大質量恆星耗盡核融合燃料後，脈衝星便誕生了。這種恆星在核心停止將輕元素（如氫）融合成重元素（如鐵）時，無法再抵抗自身的引力壓力，最終開始崩潰。

崩塌過程中，恆星的外層會因超新星爆炸被吹散，只剩下核心——一顆鐵核心，質量約為太陽的 1.5 倍，但直徑僅約 19 至 27 公里，相當於一座城市的寬度。這種超緻密核心幾乎完全由中子組成，因為坍縮過程中電子和質子被迫結合形成中子。據 NASA 表示，中子星的密度極高，一茶匙的中子星物質重達 40 億噸，相當於 10,000 座帝國大廈的重量疊加在一個湯匙上。

由於中子的量子特性，中子星無法進一步壓縮。然而，若核心質量過高，中子星會繼續崩塌，最終成為黑洞。

與此相對的是，像太陽這樣的中等質量恆星不會形成中子星。當太陽耗盡燃料時，會演變成白矮星——一種相對穩定的恆星殘骸，結束其生命旅程。

為什麼脈衝星會快速旋轉？

當大質量恆星核心崩塌成中子星時，其直徑迅速縮小，這使核心旋轉速度大幅增加——類似於滑冰選手收緊手臂時旋轉得更快的現象。這種物理效應稱為角動量守恆。

對於「毫秒脈衝星」（極快速旋轉的脈衝星），科學家認為其形成與雙星系統有關。在中子星形成後，它可能從緊密的伴星吸取物質，這一過程將伴星的角動量轉移到中子星，使其旋轉速度進一步增加。這種「吸積」過程被認為是毫秒脈衝星旋轉如此之快的主要原因之一。

脈衝星的意義

脈衝星的發現不僅證實了中子星的存在，還為我們提供了一個研究極端物理條件的天然實驗室。通過研究脈衝星，我們可以更好地了解恆星的演化、物質的極限狀態，以及宇宙的起源和演化。

脈衝星與黑洞的具體發現：新證據與科學意義

在《科學》（Science）期刊上（Barr et al. 2024）科學家發現了一個獨特的脈衝星—黑洞候選系統，這一發現可能填補中子星與黑洞之間的「質量間隙」（mass gap）。該系統位於球狀星團 NGC 1851，包含一顆快速旋轉的脈衝星 PSR J0514-4002E，及一顆質量介於中子星和典型黑洞之間的緻密伴星。這項突破性發現為天文學家理解恆星演化和極端天體的物理性質提供了新的視角。

核心發現與觀測數據

PSR J0514-4002E 是一顆高速旋轉的脈衝星，其伴星的質量被測量為約 2.35 至 2.7 倍太陽質量，顯著高於典型中子星的質量上限（約 2 倍太陽質量），但低於黑洞的常見質量範圍（3 倍太陽質量以上）。科學家利用 MeerKAT 望遠鏡和 GBT 綠堤望遠鏡進行精密的射電定時（radio timing）觀測，記錄了系統的軌道參數，包括軌道週期變化（Ṗb）與近日點進動率（ω̇）。從這些數據中推算出系統的總質量約為 3.9 倍太陽質量，其中脈衝星質量約為 1.5 倍太陽質量。

伴星的性質與理論意義

該系統的伴星可能是一顆輕質黑洞，其質量填補了中子星與黑洞之間的「質量間隙」。這一發現挑戰了天文學界對黑洞形成的傳統認知，表明黑洞的質量範圍可能比目前已知的更廣泛。此外，研究團隊認為，該系統可能通過球狀星團中的多次交互作用形成，暗示高密度星團環境在緻密天體系統的形成過程中扮演了關鍵角色。

研究的科學意義

1. 填補質量間隙
   在天文學中，質量介於 2.5 至 5 倍太陽質量 的天體極為罕見，被稱為「質量間隙」。PSR J0514-4002E 系統提供了直接觀測證據，支持該範圍內天體的存在，對理解恆星演化的極端階段具有重要意義。
2. 引力波研究的新線索
   如果該系統的伴星確為黑洞，未來其可能因軌道衰減而釋放引力波，這對於 LIGO 和 Virgo 等引力波探測器具有極高的研究價值，能幫助我們更深入地理解引力波的來源。
3. 推動球狀星團動力學研究
   這一系統的存在證明了球狀星團的高密度環境有助於形成質量異常的緻密天體系統，為星團內恆星交互的動力學研究提供了新的方向