近期，一篇发表于《天体物理快报》的研究，利用“中国天眼”FAST长达5年的存档数据，成功在NGC 6517和M15两个古老星团中“打捞”出6颗此前被遗漏的极暗弱孤立毫秒脉冲星。该论文的第一作者、北京师范大学（珠海）博士生戴印丰，正是用一种名为“功率谱堆叠搜索”的方法，像叠加照片一样，将多次观测的微弱信号对齐累加，让这些宇宙深处最精准的周期性信号终于浮出噪声之海。
这一发现不只为脉冲星族群增添了新成员，更验证了核心塌缩球状星团中仍藏有大量暗弱毫秒脉冲星的理论预言，也证明FAST的历史数据远非“一次性矿藏”。当数据与算法巧妙结合，跨越时空的微弱心跳便可被一点点听清。那么，从茫茫噪声中“捞出”一颗脉冲星究竟有多难？毫秒脉冲星为何被称为“宇宙最准时钟”？孤身旋转的它们，又是如何在拥挤的星团里失去伴星的？本报特别约到了戴印丰，为大家细细解读。
文图：北京师范大学（珠海）博士生 戴印丰
整理：本报记者 余沁霖
离开可见光舒适区，用“大耳朵”倾听宇宙
在宁静的夜晚，当我们抬头仰望星空，映入眼帘的是皎洁的明月与少数几颗闪烁的亮星。而在白天，我们又被最猛烈的太阳光重重包围。这些体验都在告诉我们，似乎天文学正是一门“看”的科学。然而，人类眼睛能看见的光，只占电磁波大家族里很小的一段。当太阳光被雨滴分开，可以变成红橙黄绿蓝靛紫，那是可见光；可见光之外，还有红外线、紫外线、X射线、伽马射线，也有波长更长的射电波。射电波能穿透厚重的星际尘埃，将冷气体、星系和黑洞边缘的活动，以及一种极有节奏感的天体信号带回地球。
这也是为什么天文学家需要很多种“望远镜”的原因。传统光学望远镜如同捕获可见光的“大眼睛”，而射电望远镜则更像是一只接收无线电波的“大耳朵”。它听到的不是声波，而是电磁信号。坐落在中国贵州群山天然喀斯特洼地之中的“中国天眼”——500米口径球面射电望远镜（FAST），正是最灵敏、单口径反射面最大的“宇宙巨耳”。它不向宇宙发射任何信号，而是极其安静地接收来自深空的微弱射电辐射。当射电天文学家在“看”宇宙时，会将这些信号转换成数据，再用计算机进行分析，宇宙里许多肉眼永远看不见的对象就会显出踪迹。
女科学家发现“脉冲星”
FAST的五大科学目标之一，就是发现脉冲星，建立脉冲星计时阵，参与未来脉冲星自主导航和引力波探测。要理解脉冲星的魅力，需要将时光倒流回1967年。当时，英国剑桥大学24岁的女博士研究生乔瑟琳·贝尔·伯奈尔正面临着一项枯燥的挑战。由于当时计算机技术落后，射电望远镜的数据只能通过墨水笔记录在长长的纸带上。贝尔每天的工作就是用肉眼翻看数十米长的纸带，寻找异常信号。
某天，她注意到了一段被她称为“杂质”的微小波形起伏。当提高记录速度重新观测时，一个震惊科学界的现象出现了：这组信号极其精准，每隔1.337秒就准时跳动一次。在当时的认知里，没有任何已知天体能发出如此高频且严丝合缝的“心跳”。科学家们甚至开玩笑地怀疑这是外星智慧文明发来的太空电报，并将其命名为“小绿人一号”。但随着贝尔在天空的其他方向接连抓到第二颗、第三颗周期各异的类似信号时，“外星人说”不攻自破——外星人不可能同时在宇宙各个角落用不同的频率向地球拍发无意义的准周期电报。这明确表明，它们属于一种人类从未发现过的全新自然天体，并在随后被正式命名为“脉冲星”。
本质上，脉冲星是大质量恒星走到生命末期，在超新星爆发中由核心在自身引力作用下极速坍缩而成的超高密度中子星。它的直径通常只有20公里左右（仅相当于一座大型城市的中心大小），但其质量却比太阳还要大。这导致中子星具有极端的物理特性：仅仅一勺中子星物质，其重量就能堪比一座大山，达到数亿吨。当这颗致密天体在太空中高速旋转时，其超强磁场会在磁极附近聚集起高能带电粒子，并向外喷射出两束能量聚焦的电磁辐射束。随着星体的自转，这两束辐射就像海边夜航灯塔的光束一样，在宇宙空间里周期性地扫过。只要这束辐射恰好一次次擦过地球，地面的射电望远镜就能接收到一段段极为规律的脉冲信号。
古老星团里的碰撞游戏
根据自转速度的不同，脉冲星被分为普通脉冲星和毫秒脉冲星两大类。普通的脉冲星在诞生后，由于不断向外辐射能量，自转速度会不可逆转地慢慢减速。相比之下，毫秒脉冲星是更为极端的特殊脉冲星，它们的自转周期短于30毫秒，一秒钟能疯狂自转上百圈。由于其自转极其稳定，长期计时精度甚至超越了人类制造的原子钟，被公认为宇宙中最精准的天然时钟。
既然普通脉冲星会不断减速，那么毫秒脉冲星恐怖的速度从何而来？天文学界给出的经典解释被称为“再循环”机制。我们可以把一颗已经年迈、速度慢下来的中子星想象成一个快要停下的陀螺。如果这颗中子星身处双星系统，其强大的引力会生生撕扯伴星的外层物质。这些物质在落向中子星表面的过程中，会带着巨大的角动量撞击在中子星上，就如同有一根无形的鞭子持续抽打着这个快要停下的陀螺。经过数亿年的物质吸积，中子星被重新唤醒并疯狂加速，从而成为毫秒脉冲星。至今发现的大多数毫秒脉冲星依然留在双星系统中，身边带着当年的伴星。但还有一类特立独行的存在——“孤立毫秒脉冲星”，它们身边空无一物，却依然在孤独地高速自转。
其中，毫秒脉冲星最富集的地方就是球状星团。球状星团是由数十万乃至上百万颗古老恒星组成的致密恒星集团，像一团被引力紧紧拢住的星群，被称为“脉冲星工厂”。至今已经在46个球状星团中，发现约367颗脉冲星，其中毫秒脉冲星占比约百分之九十，其比例远高于银河系其他地方。在球状星团中，越靠近中心，恒星越拥挤。尤其是核心塌缩球状星团，中心区域密度非常高，容易导致恒星之间的近距离相遇、双星交换、潮汐捕获等过程更频繁。在这种“宇宙台球桌”般的极端环境下，中子星极易捕获伴星通过物质吸积加速为毫秒脉冲星；但也正因如此，它们身处的双星系统也很容易在后续遭遇其他强横恒星的猛烈撞击中被生生撞散，或者由于吸积过度而将伴星完全蚕食剥离。因此，核心塌缩球状星团成为了制造孤立毫秒脉冲星的完美加工厂，也是天文学家重点搜寻的“脉冲星宝库”。
跨越时空的“叠照片”： 在海量噪声中捞出微弱节奏
近期，戴印丰所在的研究团队将目光聚焦在NGC6517和M15（又名NGC 7078）这两个声名显赫的核心塌缩球状星团上。它们是FAST可见天空中最致密的星团之一，理论上深处必然隐藏着大量的孤立毫秒脉冲星。然而，天文学家面临着一个残酷的现实：它们之中的绝大多数实在太暗弱、太遥远了。在单次的常规天文观测中，这些微弱的信号完全伪装在杂乱的随机噪声中，看起来就像是仪器出了点毫无意义的偶然抖动，根本无法被自动程序或人工筛查识别出。射电观测不仅要面对手机、卫星和地面的严重电磁干扰，还要对抗宇宙本身自带的随机起伏噪声。“打捞”它们，就像是在一间极其嘈杂的屋子里，去辨认远处一根针掉落在地上的声音。
为了克服这些噪声困扰，研究团队采用了一种名为“功率谱堆叠”的搜索方法。这套方法的原理与天文摄影中将多张照片进行叠加降噪如出一辙：可能单张照片里暗弱的星云极不明显，且布满噪点；但如果将几十张连续拍摄的照片对齐叠加，真实的暗弱目标就会越叠越清楚，而随机的噪点则会由于相互抵消而被平均淡化。
研究团队重新分析了FAST从2019年到2024年积累的长达5年的历史档案数据。孤立毫秒脉冲星的自转极其稳定，在跨越数年的多次观测中，它在频率空间中的位置几乎是一成不变的。因此，在通过剔除射频干扰、消色散校正并进行傅里叶变换后，研究团队将多次观测得到的功率谱在频域中精准对齐并叠加起来。
在这种模式下，真实的脉冲星周期信号会在同一个频率位置持续累加，而随机噪声则慢慢被平均削弱。在理想情况下，探测的脉冲星信噪比会随着观测次数的平方根提高。也就是说，通过“多观测几次并将谱叠起来”，那些原本在单次观测中没能露头的极其暗弱的信号，终于从噪声底部的泥潭中浮现了出来。
从海量数据中打捞出的6个全新“心跳”
寻找脉冲星，其实就是在数据中找出周期性的射电信号。这套流程听起来机械，其实很需要人的判断。数据里可能会有很多“长得像”的假信号，也会有很多“长得不像”的真信号。暗弱脉冲星尤其如此：它们经常站在噪声和真实之间的边界上。研究者要做的，是在一次次图像、曲线和候选列表里寻找稳定性。经过严苛的候选体筛选与轮廓稳定性确认，研究团队最终在上述两个古老的球状星团中，成功打捞出6颗此前被传统方法遗漏的极暗弱孤立毫秒脉冲星。
在天文学中，对星团脉冲星有一套默认的命名规则：在一个星团中发现的第一颗脉冲星叫A，第二颗叫B，以此类推。本次在M15中搜寻到的脉冲星分别排在第13和第14位，因此顺延得到了M与N的编号。这6颗高速度、高精度的“宇宙陀螺”，均展现出了明确的孤立系统特征。
这6颗极暗弱脉冲星的发现，其意义远不止于人类脉冲星账本上的数字增加了“6”。它向科学界展示了一个重要的事实：核心塌缩球状星团中确实如理论预期的那样，藏有大量低光度的孤立毫秒脉冲星样本；更重要的是，它证明了FAST的海量历史档案数据绝非“用过一次就失去价值”的枯竭矿井。只要转换算法思路、创新搜索方法，旧的数据依然能源源不断地长出产出具有科学价值的新发现。在现代天文学中，望远镜的硬件口径决定了我们能“看多远”，而数据分析的精妙算法则决定了我们能“想多巧”。
旧数据里的新大陆与未来的“宇宙GPS”
对于人类而言，这些极其守时的毫秒脉冲星是理解极端物理条件的天然实验室。它们不仅能用来检验爱因斯坦的引力理论、探测中子星内部的超高密度物质状态，还能通过联合观测组成“脉冲星计时阵列”，用于捕捉来自宇宙深处的低频引力波背景。每在精密网络中多加入一个高质量的毫秒脉冲星节点，人类测量时空涟漪的刻度尺就会更精准一分。
在更遥远的未来，当人类真正迈向深空、开启星际航行时，这些横跨宇宙、永不停歇的毫秒脉冲星还将扮演“宇宙GPS”的角色。未来的星际航行只需通过捕获的多颗脉冲星发出的辐射信号，就能在冰冷、黑暗且缺乏参照物的星际深空中精准定位，从而不会迷失方向。
从人类的耳朵听来，夜空是寂静的。但在灵敏的“中国天眼”与充满人类智慧的物理法则眼里，宇宙的深处一直回荡着富有节律的交响——脉冲星在遥远的宇宙中一圈圈高速旋转辐射出信号。天文学家所做的就是，在漫长的噪声中多听了几遍，把那些跨越时空的微弱心跳，一点点听得更清楚。