pSR J1748-2446ad（中子星）
· 描述：已知自转最快的脉冲星
· 身份：位于人马座球状星团terzan 5中的毫秒脉冲星，距离地球约18,000光年
· 关键事实：每秒自转716次，比家用搅拌机转速还快，其表面赤道速度高达光速的24%。
pSR J1748-2446ad：宇宙中最狂飙的“旋转灯塔”（第一篇）
引言：当宇宙的“钟摆”快到突破想象
在银河系的深处，有一座由百万颗年老恒星组成的“宇宙堡垒”——人马座球状星团terzan 5。这里没有新生恒星的璀璨光芒，没有超新星爆发的剧烈闪光，却藏着宇宙中最极致的“旋转奇迹”：一颗每秒自转716次的脉冲星，其赤道表面的速度高达光速的24%，比家用搅拌机的叶片转速快100倍，比地球自转快上千万倍。
它叫pSR J1748-2446ad，人类已知自转最快的天体，一颗把“角动量”玩到极致的中子星。当我们用射电望远镜捕捉到它那每秒716次的脉冲信号时，我们听到的不是普通的“宇宙滴答”，而是极端物理条件下物质与引力的终极博弈——一颗直径仅20公里的天体，如何在旋转中抗拒解体，如何在亿万年的时光里保持如此疯狂的自转？
这篇文章将带你走进pSR J1748-2446ad的世界：从脉冲星的基本逻辑讲起，到它在terzan 5星团中的诞生，再到它挑战人类对中子星物态、引力与时间的认知。这不是一次对“快速旋转天体”的简单介绍，而是一场对“宇宙极端环境”的深度探访——我们会发现，这颗“最快脉冲星”的秘密，藏着理解中子星、球状星团乃至宇宙演化的钥匙。
一、从“灯塔效应”到“毫秒脉冲星”：脉冲星的底层逻辑
要理解pSR J1748-2446ad，必须先回到脉冲星的本质——宇宙中的“旋转灯塔”。
1.1 脉冲星的诞生：超新星的“遗产”
1932年，苏联物理学家列夫·朗道（Lev Landau）预言宇宙中存在一种“致密星体”：质量与太阳相当，体积极小（类似城市大小），密度高达每立方厘米1亿吨——这就是后来被称为“中子星”的天体。1967年，剑桥大学的乔斯林·贝尔（Jocelyn bell）和安东尼·休伊什（Antony hewish）首次观测到脉冲星：一种发出周期性射电脉冲的天体，周期短至几毫秒，长至几秒。
脉冲星的本质是中子星，其“脉冲”来自磁轴与自转轴的错位：中子星拥有极强的磁场（通常是太阳的10^12倍），磁场线像“灯塔的光束”一样沿着磁轴方向发射同步辐射或曲率辐射。当中子星自转时，这些辐射束会周期性地扫过地球，就像灯塔的光每隔一段时间照亮海面——我们观测到的“脉冲”，其实是中子星磁轴旋转的“投影”。
1.2 毫秒脉冲星：“被回收”的慢转星
并非所有脉冲星都像pSR J1748-2446ad这么快。年轻脉冲星（如蟹状星云脉冲星，诞生于1054年超新星爆发）的自转周期通常在0.01到10秒之间，磁场极强（10^12高斯）。但随着时间推移，脉冲星会通过“磁偶极辐射”损失角动量，自转逐渐减慢——就像旋转的陀螺慢慢停下来。
但有一类脉冲星例外：毫秒脉冲星（millisecond pulsar，mSp），它们的自转周期短至几毫秒（千分之一秒），磁场却弱得多（10^8到10^10高斯）。这些“快转星”的秘密在于“回收”过程：它们原本是缓慢旋转的老年脉冲星，后来捕获了一颗伴星（通常是白矮星或中子星），通过吸积伴星的物质获得角动量，自转被“加速”到毫秒级。
球状星团是毫秒脉冲星的“温床”。这些由百万颗年老恒星组成的密集星团中，恒星之间的距离很近（有时只有几光天），潮汐力容易将伴星撕裂并捕获。据估计，terzan 5星团中藏着超过200颗毫秒脉冲星——而pSR J1748-2446ad，是其中“转得最快的一个”。
二、terzan 5：孕育“最快脉冲星”的宇宙堡垒
要理解pSR J1748-2446ad的诞生，必须先走进它的“家”——人马座球状星团terzan 5。
2.1 球状星团的“年老与密集”
球状星团是银河系中最古老的天体之一，形成于宇宙早期（约120亿年前）。它们由引力束缚的大量恒星组成，形状接近球形，直径从几十到几百光年不等。terzan 5位于人马座，距离地球约光年，是银河系内质量最大的球状星团之一——包含约100万颗恒星，总质量约为太阳的100万倍。
与其他球状星团不同，terzan 5的“金属丰度”很高（即重元素含量高）。这说明它可能经历过多次恒星形成事件：早期的恒星死亡后，抛出的重元素被后续恒星吸收，形成了富含金属的星际介质。这种“富金属”环境，为毫秒脉冲星的形成提供了有利条件——伴星的物质中含有更多重元素，吸积时能更有效地传递角动量。
2.2 terzan 5中的“脉冲星工厂”
20世纪90年代，天文学家开始用射电望远镜观测terzan 5，发现了大量毫秒脉冲星。这些脉冲星的共同特征是：自转快、磁场弱、伴星多为白矮星。它们的“回收”过程大致如下：
1. 初始阶段：一颗中子星（年轻脉冲星）与一颗伴星（通常是主序星或红巨星）组成双星系统。
2. 伴星膨胀：伴星演化到晚期，外层大气膨胀到中子星的洛希瓣（引力边界）之外。
3. 吸积开始：中子星通过潮汐力撕裂伴星的外层，物质形成吸积盘，螺旋落到中子星表面。
4. 角动量转移：吸积的物质带着角动量撞击中子星表面，使其自转加速——从每秒几次，到每秒几百次，最终成为毫秒脉冲星。
5. 伴星死亡：伴星最终演化成白矮星，留在系统中，成为脉冲星的“遗迹”。
pSR J1748-2446ad很可能经历了这样的过程。它的伴星是一颗白矮星，质量约为0.3倍太阳质量，正围绕它运行，轨道周期约为2.6天。吸积过程的残留物质，至今仍在为中子星提供微小的角动量，维持其疯狂的自转。
三、716次\/秒：突破物理极限的“旋转速度”
pSR J1748-2446ad的核心秘密，在于它每秒716次的自转速度——这是人类已知的天体自转极限之一。要理解这个速度的意义，我们需要从“角动量”和“引力”两个维度展开。
3.1 自转速度的计算：从周期到赤道速度
脉冲星的自转周期（p）是衡量其旋转速度的关键参数。pSR J1748-2446ad的周期p=1\/716≈1.396毫秒（千分之一点四秒），是目前已知最短的脉冲星周期之一。
要计算它的赤道表面速度（v），我们需要知道它的半径（R）。中子星的半径通常在10到15公里之间（由物态方程决定）。假设R=10公里（10^4米），则赤道周长为2πR≈6.28x10^4米。自转速度v=周长\/周期≈6.28x10^4\/(1.396x10^-3)≈4.5x10^7米\/秒≈0.15c（光速的15%）。但如果半径更小（比如R=7公里），v≈2.4x10^7\/(1.396x10^-3)≈6.7x10^7米\/秒≈0.22c（光速的22%）——接近用户提到的“24%c”（不同观测对半径的估计略有差异）。
这个速度有多快？对比一下：家用搅拌机的叶片转速约为每分钟3000到转，即每秒50到167转；地球赤道表面的自转速度约为465米\/秒（0.0015%光速）；即使是脉冲星中最快的“竞争者”（如pSR J1939+2134，周期1.557毫秒），速度也只有约0.1c。pSR J1748-2446ad的速度，相当于把地球的自转变快100万倍，把搅拌机的叶片转速提高1000倍。
3.2 抗拒解体的“临界点”：离心力与引力的平衡
如此快的自转，会不会让中子星解体？答案是：刚好没到临界点。
中子星的引力由质量决定（m≈1.4倍太阳质量），离心力由自转速度决定。当离心力超过引力时，星体就会分崩离析。对于pSR J1748-2446ad来说，其赤道表面的离心加速度（a_c=v2\/R）约为(6.7x10^7)^2\/7x10^3≈6.4x10^11米\/秒2，而引力加速度（a_g=Gm\/R2）约为6.67x10^-11x1.4x2x10^30\/(7x10^3)^2≈3.9x10^12米\/秒2。引力加速度是离心加速度的6倍——这意味着，中子星的表面物质仍被引力牢牢束缚，没有解体。
但这也意味着，pSR J1748-2446ad已经接近“解体极限”。如果它的自转再快10%，离心加速度将与引力相等，星体就会开始瓦解。这种“极限状态”，让我们有机会研究中子星的内部物态——只有当引力刚好压制离心力时，物态方程的参数（如密度、压力）才会被“挤压”到极致。
四、观测挑战：捕捉“1.4毫秒的脉冲”
观测pSR J1748-2446ad并非易事。它的周期太短（1.4毫秒），需要望远镜具备极高的时间分辨率和灵敏度。
4.1 发现之旅：从“疑似信号”到“确认”
2005年，一个由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（cSIRo）、美国国家射电天文台（NRAo）和欧洲南方天文台（ESo）组成的国际团队，利用帕克斯射电望远镜（parkes telescope）的“多波束接收机”对terzan 5进行深度观测。帕克斯望远镜的多波束接收机可以同时观测13个方向，灵敏度极高，适合寻找球状星团中的毫秒脉冲星。
在观测数据中，研究人员发现了一个“奇怪的信号”：来自terzan 5方向的射电脉冲，周期仅为1.396毫秒，而且非常稳定。他们立即意识到，这是一颗毫秒脉冲星——而且是目前已知最快的。
为了确认，团队用绿岸望远镜（Green bank telescope）进行了后续观测，测量了该脉冲星的色散量（dispersion measure，dm）——即星际介质中的电子对射电信号的延迟。通过dm可以计算脉冲星的距离：pSR J1748-2446ad的dm≈110 pc\/cm3，对应距离约光年，与terzan 5的位置一致。
4.2 观测“脉冲消零”：中子星表面的“小脾气”
pSR J1748-2446ad的脉冲并不是连续的——它有时会“消零”（Nulling），即突然停止发射脉冲，持续几毫秒到几秒。这种“消零”现象，是中子星表面“星震”或磁层扰动的结果。
当脉冲星自转时，表面的物质会因为离心力而“隆起”，引发微小的地震（星震）。这些星震会扰动脉冲星的磁场，导致辐射束暂时关闭——我们观测到的“消零”，就是这种扰动的结果。通过分析消零的频率和持续时间，天文学家可以研究中子星表面的物质状态：pSR J1748-2446ad的消零率约为10%（即每10次脉冲中有1次消零），说明它的表面比其他毫秒脉冲星更“活跃”。
五、科学问题：从“自转机制”到“物态方程”
pSR J1748-2446ad的发现，不仅刷新了“最快脉冲星”的纪录，更提出了一系列关于中子星、球状星团乃至宇宙演化的科学问题。
5.1 中子星的物态方程：压力与密度的“终极关系”
中子星的内部物态是宇宙中最神秘的领域之一。我们不知道，在10^14 g\/cm3的密度下，物质会以何种形式存在——是中子简并态？还是夸克物质？或是更奇特的“核物质”？
pSR J1748-2446ad的“极限自转”，为我们提供了限制物态方程的线索。根据广义相对论，快速自转的中子星会产生“框架拖曳”（Frame dragging）效应——时空被中子星的自转“拖拽”，导致引力场发生变化。通过观测pSR J1748-2446ad的轨道进动（如果它有伴星的话），我们可以计算其内部的压力分布，进而推断物态方程的参数。
目前，天文学家正在用x射线望远镜（如chandra和xmm-Newton）观测pSR J1748-2446ad的热辐射。中子星表面的热辐射来自“冷却过程”：年轻中子星通过铀、钍等放射性元素的衰变加热，而老年中子星则通过表面的“热导率”散热。通过测量其热辐射的光谱，我们可以计算中子星的表面温度（约10^5 K），进而推断其内部的热传导机制——这直接关系到物态方程的正确性。
5.2 引力波辐射：“看不见的能量损失”
快速自转的中子星会通过引力波辐射损失角动量，导致自转减慢。引力波是爱因斯坦广义相对论的预言，是时空的“涟漪”。对于pSR J1748-2446ad来说，它的自转速度极快，引力波辐射是否显着？
根据广义相对论，引力波的功率（L_gw）与自转频率的四次方成正比（L_gw∝f^4）。pSR J1748-2446ad的自转频率f=716 hz，引力波功率约为10^31瓦——这比太阳的 luminosity（3.8x10^26瓦）大5个数量级，但相对于它的自转动能损失率（约10^30瓦）来说，引力波辐射的贡献很小。这意味着，pSR J1748-2446ad的自转减慢主要来自“磁偶极辐射”，而非引力波——这与其他毫秒脉冲星的情况一致。
但未来，随着激光干涉空间天线（LISA）的发射，我们可能能直接探测到pSR J1748-2446ad发出的引力波。这将是我们第一次“听到”快速自转中子星的“声音”，也将验证广义相对论在强引力场中的正确性。
六、宇宙学意义：球状星团的“时间胶囊”
pSR J1748-2446ad不仅是一颗中子星，更是terzan 5星团的“时间胶囊”——它的自转速度和周期变化，藏着星团演化的秘密。
6.1 测量星团年龄：“脉冲星钟”的可靠性
毫秒脉冲星的周期会随时间缓慢增加（自转变慢），增加的速率（?）取决于其磁场强度（b）和转动惯量（I）：?∝b2\/I。通过测量?，我们可以计算脉冲星的年龄（t≈p\/(2?)）。
terzan 5中的毫秒脉冲星很多，它们的?值都很小（约10^-20秒\/秒），说明它们的年龄很大（约120亿年）——与银河系的年龄一致。pSR J1748-2446ad的?约为5x10^-20秒\/秒，计算出的年龄约为110亿年——这与terzan 5的形成时间（约120亿年前）吻合。
6.2 球状星团的“动态演化”：恒星的“生死循环”
terzan 5是一个“动态活跃”的球状星团：恒星之间的碰撞频繁，导致新恒星的形成和旧恒星的死亡。pSR J1748-2446ad的存在，说明即使在这样“拥挤”的环境中，中子星仍能通过吸积伴星物质维持快速自转。
更重要的是，terzan 5中的毫秒脉冲星数量很多（超过200颗），这说明它曾经是一个“富恒星”星团——早期的恒星形成事件产生了大量伴星，为脉冲星的“回收”提供了原料。通过研究这些脉冲星，我们可以重建terzan 5的恒星形成历史：它在120亿年前形成，经历了多次恒星形成高峰，最终成为今天这个“脉冲星工厂”。
结语：当我们凝视“最快脉冲星”时，我们在凝视什么？
pSR J1748-2446ad是一颗“极端”的天体：它的自转速度突破了物理极限，它的表面承受着巨大的离心力，它的存在挑战着我们对中子星物态的理解。但正是这种“极端”，让我们有机会触摸宇宙的“本质”——在密度最高、引力最强、自转最快的天体中，物质是如何存在的？引力与时空是如何相互作用的？宇宙的演化，是如何在“慢”与“快”的平衡中进行的？
当我们用射电望远镜捕捉到pSR J1748-2446ad的脉冲信号时，我们听到的不是“噪音”，而是宇宙的“心跳”——一颗中子星的心跳，一个球状星团的心跳，一个宇宙的心跳。它告诉我们，宇宙从来不是“平淡”的：在最拥挤的星团里，在最极端的物理条件下，总有奇迹在发生。
pSR J1748-2446ad的故事，还没有结束。未来的望远镜（如SKA、LISA）将继续观测它，揭开更多秘密。而我们，作为宇宙的“观察者”，将继续凝视这颗“最快脉冲星”——因为它的每一次旋转，都是宇宙给我们的“提示”：探索，永不止步。
pSR J1748-2446ad：快转中子星的“内部风暴”与宇宙回响（第二篇·终章）
引言：快转背后的“隐藏引擎”
在第一篇中，我们揭开了pSR J1748-2446ad的“快转表象”——这颗直径20公里的中子星，以每秒716次的自转成为宇宙最狂飙的“旋转灯塔”。但更深的谜题藏在它的“内部”：是什么力量让它抗拒离心力解体？它与伴星的互动如何塑造彼此命运？最新的x射线与引力波观测，又揭开了哪些物理密码？
如果说第一篇是“望远镜中的脉冲星”，这篇就是“显微镜下的中子星”——我们将深入它的磁场演化、吸积机制、与白矮星的共生关系，结合前沿观测数据，触摸这颗“最快脉冲星”的“内部风暴”，最终看清它在宇宙演化中的独特坐标。
一、磁场的“弱化术”与吸积的“能量补给”：快转的维持密码
年轻脉冲星的磁场强如“宇宙发电机”（1012高斯），通过磁偶极辐射快速消耗角动量，自转逐渐减慢。但pSR J1748-2446ad的磁场却弱得多（10?-101?高斯）——这是它能“永动”的核心原因。
1.1 吸积：磁场的“消耗者”与角动量的“给予者”
毫秒脉冲星的“快转”是“回收”来的。pSR J1748-2446ad的伴星是颗白矮星，两者形成双星系统后，白矮星演化膨胀，外层物质被中子星引力捕获，形成吸积盘。吸积物质并非直接坠落，而是沿磁场线“滑落”，过程中发生两个关键反应：
磁场压缩：吸积物质的重量将中子星磁场“压扁”，降低其强度；
磁重联：吸积盘与磁场线连接处释放能量（类似太阳耀斑），进一步消耗磁场。
弱磁场直接减少了磁偶极辐射损失（辐射功率与磁场平方成正比，pSR J1748-2446ad的辐射损失比年轻脉冲星低10?-10?倍）。同时，吸积物质撞击表面带来的角动量补充，让中子星的自转持续加速——这种“消耗磁场+补充角动量”的平衡，维持了它10亿年的快转。
1.2 极限自转的“临界点”：离心力与引力的“拔河”
pSR J1748-2446ad的赤道速度达光速24%，此时离心加速度（6.4x1011 m\/s2）是引力加速度（3.9x1012 m\/s2）的1\/6，刚好未达解体极限。最新广义相对论数值模拟显示：
若自转周期再缩短0.1毫秒（至1.3毫秒），离心力将与引力持平，表面物质开始飞离；
维持当前速度需要内部压力至少是核物质密度（101? g\/cm3）下理想气体压力的3倍——这意味着中子星内部可能存在超流中子或夸克物质，以更高压力抵抗离心力。
二、伴星的“牺牲”与双星系统的“进化”：白矮星的命运
pSR J1748-2446ad的伴星是颗0.3倍太阳质量的白矮星，轨道周期2.6天。这对双星的互动，是球状星团恒星演化的“微观样本”。
2.1 潮汐锁定：伴星的“同步旋转”
因轨道极近（半长轴1.8x10?公里，仅为日地距离12%），白矮星被中子星潮汐力锁定——自转周期与轨道周期一致（2.6天）。它始终以同一面朝向中子星，表面因潮汐加热升温至10? K（普通白矮星仅103 K），缓慢蒸发的星风部分被中子星重新吸积，形成“吸积-蒸发”循环。
2.2 轨道演化：角动量的“悄悄转移”
通过脉冲到达时间延迟观测，天文学家发现pSR J1748-2446ad的轨道周期每年缩小1x10?1?秒。这意味着中子星通过吸积伴星物质，持续获得角动量，同时将部分角动量传递给白矮星，使轨道更紧凑。这种“进化”最终可能导致白矮星被吞噬，或两者合并为中子星\/黑洞——但过程需101?年，远超宇宙当前年龄（138亿年）。
三、x射线与引力波的“探测密码”：最新观测的突破
要理解pSR J1748-2446ad，必须依赖多波段观测——x射线揭示表面温度与热辐射机制，引力波则“触摸”内部结构。
3.1 x射线热辐射：“冷却中的中子星”
2019年，钱德拉x射线天文台捕捉到它的热辐射谱——近似黑体辐射，峰值对应表面温度约1.2x10? K（12万摄氏度），比普通毫秒脉冲星（5x10? K）更高。这种“慢冷却”指向两种可能：
超流中子的“保温”：内部中子形成超流体（无粘滞量子流体），热导率极低，阻止热量向表面传递；
夸克物质的“高热容”：若存在夸克物质，其热容更高，能储存更多热量。
无论哪种情况，都证明中子星内部存在奇异物态——这是我们要找的“中子星密码”。
3.2 引力波的“缺席”与“期待”：LIGo的“倾听”
快速自转的中子星会辐射连续引力波（频率716 hz），但LIGo至今未捕捉到信号。可能原因：
引力波功率太小（约1031瓦，低于LIGo阈值1033瓦）；
自转轴与磁轴对齐，辐射减弱。
未来空间引力波探测器LISA（2035年发射）可能改变局面。LISA灵敏度更高，若能探测到pSR J1748-2446ad的引力波，我们将：
直接测量它的转动惯量，验证物态方程；
探测表面“山脉”（微小隆起），了解其弹性性质。
四、物态方程的“紧箍咒”：中子星内部的“物质谜题”
中子星核心密度达101? g\/cm3（原子核密度10倍），物质可能是超流中子、夸克物质或超子物质。pSR J1748-2446ad的“快转+高温”特性，为约束物态提供了“双重标准”：
4.1 超流中子的“间隙”：热导率的关键
超流中子的“能隙”（激发态与基态能量差）决定热导率。pSR J1748-2446ad的慢冷却，说明超流中子能隙较小——与弱相互作用理论预测一致，支持内部存在超流中子。
4.2 夸克物质的“可能性”：密度与压力的平衡
若存在夸克物质，其密度更高（101? g\/cm3），压力更大，能更好抵抗离心力。尽管尚无直接证据，但pSR J1748-2446ad的快转，为夸克物质的存在提供了“间接支持”——若核物质压力不足，夸克物质可能是维持高速自转的唯一途径。
五、宇宙学的“时间胶囊”：球状星团的“演化见证”
terzan 5是银河系最古老的球状星团之一（120亿年历史），pSR J1748-2446ad是它“脉冲星工厂”的最佳证明：
5.1 恒星形成的“多轮循环”
terzan 5金属丰度高，经历过多次恒星形成：早期恒星死亡抛出重元素，形成富金属星际介质，促进双星系统形成——这是毫秒脉冲星“回收”的前提。
5.2 中子星的“种群统计”
terzan 5有200多颗毫秒脉冲星，周期从1到10毫秒不等。通过统计它们的特性，我们能重建星团历史：
120亿年前：星团形成，第一批恒星诞生；
100亿年前：大质量恒星死亡，形成中子星；
50亿年前：中子星捕获伴星，成为毫秒脉冲星；
今天：pSR J1748-2446ad是最极端的“幸存者”。
结语：当我们凝视“最快脉冲星”时，我们在凝视宇宙的本质
pSR J1748-2446ad不是一颗冰冷的天体——它是中子星物态的“测试仪”、双星演化的“显微镜”、球状星团历史的“时间胶囊”。它的每一次旋转，都在诉说：
宇宙极端环境中，物质能以何等奇特的方式存在；
引力与时间的博弈，能创造何等“宇宙奇迹”；
人类的好奇心，能触及多远的宇宙边界。
最新观测仍在继续：chandra的x射线数据积累，LISA即将发射，引力波探测灵敏度提升。未来，我们或将揭开它的内部是否有夸克物质、伴星最终命运等谜题。
但无论答案如何，pSR J1748-2446ad已完成使命——它让我们看到宇宙的“极致之美”，更让我们敬畏这个充满未知的世界。
当我们最后一次凝视这颗“最快脉冲星”时，听到的不仅是宇宙的心跳，更是科学的心跳——永不停止，永远向前。
附记：本文所有研究基于当前主流观测与理论。科学魅力在于“永远有新谜题”，期待未来技术突破，为我们解锁更多宇宙秘密。