在满天的星星里有一种特别的天体，它们用极其稳定的周期发出一闪一闪的无线电脉冲，如同GPS卫星一样，天文学家称这种天体为脉冲星（pulsar）也可称为波霎。最先是由英国剑桥大学的乔瑟琳·贝尔·伯内尔（Jocelyn Bell）和其指导教授安东尼·休伊什（Antony Hewish）在1967年所发现，因当时无线电波已经被用来作为通信使用，所以探测到从外太空的宇宙深处傅来有规律的无线电讯号时，一开始很难不与外星文明产生联想，更把最早发现的几个脉冲星以「小绿人（Little Green Man）」的名称来编号！

到目前止，总共有2700个脉冲星被发现，每个脉冲星都有一个自己的周期，这些无线电脉冲的周期长短从一、两毫秒到好几秒都有。每个脉冲星的周期都会缓慢地变长，但变化率极小，大多是每秒增长千兆分之一秒的数量级，也就是每3000年才会增加1秒。因此，脉冲星的周期非常稳定定，大概是宇宙中最精的始终了，估计只有铯原子钟才能与之媲美。

脉冲星的真面目原来是中子星

脉冲星究竟是什么样的天体呢？根据周期长短及其极缓慢增长的现象，天文学家认为脉冲星是快速旋转且带有强磁场的中子星。中子星是由大质量恒星演化到最后经过超新星爆发事件，所遗留下来的坍缩核心。事实上，满天星斗其实都是像太阳一样的恒星，在恒星内部核心处进行着核聚变反应，为恒星提供发光发热所需要的能量。

随着时间的推移，当恒星耗尽核燃料以后，与太阳类似质量的恒星演化到最后，会变成一颗白矮星；而质量较大的恒星则会发生超新星爆炸事件留下一颗中子星；质量更大的，就有可能变成黑洞因。以下就只谈谈与本文主题有关的中子星。

中子星是咋来的

大质量恒星演化到最后，核心会产生一个大铁核，进一步的重力塌缩，使得外部的物质爆开，而中间的核心部分密度则高到连原子核的界线都挤破，大量的质子与电子结合成中子，形成由中子租成的中子星。中子星的组成非常致密，大约有1~2倍的太阳质量，但是半径却只有10公里左右，如同把整个太阳压缩到一个城市的大小，密度极高且表面重力极强，光是一小汤匙的中子星物质就重达100万吨！

另外，中子星旋转得速度很快，重力塌缩时就像是原先张开双臂的滑冰运动员把手收回一样，使自身旋转速度提升。中子星形成的时候，也会产生极强的磁场，其表面的磁场强度大是地球表面的一兆倍，有些甚至可高达1000兆倍。

发现脉冲星以及脉冲星周期的异常

中子星表面外的强磁场区域里（一般称此区磁层）有许多高能量的电子及其反粒子（正电子）。天文学家相信这些电子与正电子可以在磁层里朝某些方向放射出强烈的无线电波。中子星的磁轴与自转轴通常不在同一方向，类似地球一样中间夹着一个磁倾角，所以中子星旋转的时候，无线电波辐射就如同灯塔照射出来的灯光，以固定的周期扫过远方的观察者。这些辐射及电子与正电子会带走中子星的旋转动能，使中子星旋转越来越慢，造成周期越来越长，不过，如同上文提及，其变化率极小，因此脉冲星有非常稳定的周期。中子星的理论在1930年代被提出来，经过30多年，终于在1960年代末经由脉冲星的发现证实了中子星的存在。

但是，就在脉冲星被发现一年多以后，由来自澳大利亚帕克斯天文台（Parkes Observatory）的曼彻斯特（Richard N.Manchester）和拉达克里希南（V.Radhakrishnan）及美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）的莱许利（E. Reichley）和唐斯（g.s. Downs）两组天文学家分别独立测量到一个脉冲星的周期在非常短的时间内突然变短，此脉冲星是位船帆座超新星残骸（Vela supernova remnant）中的船帆脉冲星，在1969年2月底，周期89毫秒的脉冲星，稳定缓慢变长的周期突然变短了百万分之二。一个89毫秒就自转一圈的中子星怎么会突然旋转加快？此现象称为脉冲频率突增（pulsarglitch），也就是脉冲周期突减，是脉冲周期的异常变化。

半年后，1969年9月底，第二个脉冲频率突增现象在蟹状星云里的脉冲星上被观测到，这次的周期变化幅度很小，大约的是十亿分之七左右。接下来在1971年7月蟹状星云里的脉冲星又被观测到一次频率突增，周期变化幅度仍然很小，大约是十亿分之二左右。1971年8月，船帆脉冲星再一次被观测到频率突增，周期化幅度仍大约是百万分之二左右。

以上是最早先被观测到的4次脉冲频率异常现象，直至今（2019）年7月底，在已知的2702个脉冲星中，总共有189个脉冲星被观测到有脉冲频率突增的现象，次数总计有548次。每一次的周期变化幅度大小不一，大的如最早发现的1969年船帆脉冲星频率突增，有百万分之一左右的变化幅度；小的则像蟹状星云脉冲星，大约是十亿分之一左右。脉冲星发生周期突减之后会有一段恢复期，周期以较快的速度变长，大约恢复到原来的变化趋势，有些时候则可能留下永久的变化。

脉冲星频率突增的元凶，难道是星震惹的祸？

脉冲星频率突增的现象发现后不久，当时还在美国纽约大学任教的鲁德曼（Malvin Ruderman）就提出星震（starquake）的理论模型解释。他指出，中子星的结构可以分成外部的固态壳层及内部的液态核心。壳层主要是铁原子核排列在极其致密的晶格结构里，核心则是极高密度的大量中子组成的超流体，因为中子星旋转得非常快，整个星球并非完美的圆球状，而是在赤道方向略突出的椭球状。

地球其实也有类似的情况：两极方向上的半径为6357公里，而赤道方向上的半径则是6378公里。随着中子星旋转的缓缓变慢，整个星球应该越来越趋向圆球形，这个过程中液态核心可以随时调整分布，但是固态的壳层却无法轻易改变自身形状，于是压力就一直累积，直到壳层无法承受，短时间内挤压变形，赤道上的壳层内缩，造成中子星旋转的瞬间变快也就是脉冲频率突增的现象。

星震理论提出后一时声名大噪，一方面是名称与地震相呼应，概念也类似，为大家所熟悉。另一方面则是频率突增后的恢复期时间尺度大约是好几年，能支持液态核心是超流体的概念。理论中提到的超流体，是一种完全没有黏滞性的流体，实际上，极低温的液态氮就有超流的性质。超流体的现象是在1938年被发现，而中子星内部物是超流体的概念则是在1960年由前苏联物理学家米格达尔（Arkady Migdal）所提出。脉冲频率突增后，变快的壳层受到核心流体的黏滞力作用而变慢，因此有所谓的恢复期，但因内部液态核心是超流体，在与壳层交接处的黏滞力较弱，所以恢复期需要好几年的时间。

不过，星震理论也面临一个极大的挑战：以一般合理的参数范围来说，压力要累积到壳层无法承受，需要很长的一段时间，至少是几百年以上。而鲁德曼在他1969年星震理论的论文最后也提到，他无法解释为什么这么凑巧在船帆脉冲星发现不到一年的时间里，船帆脉冲星就发生了数百年才会有一次的脉冲频率突增。而且，船帆脉冲星在两年半后又发生第二次的频率突增，蟹状星云脉冲星也在短短的两年就出现两次频率突增。这些例证使得天文学家开始改变方向，去寻找引起脉冲频率突增的其它可能机制。

顺带一提，「星震」一词后来也被用在星震学，与前面所说的星震是不同的意思。星震学与日震学类似，都是利用观测星球表面的现象来研究星球的内部结构，因太阳距离地球较近，日震的观测已经大幅增加人们对太阳的了解，而其它星球的星震研究也正蓬勃展中。

找出脉冲频率突增的真相，天文学家持努力中

虽然脉冲频率突增的确切成因还没有完全了解，近年来大部分的研究方向仍是与中子星内部的中子超流体有关，其中主要的想法最先是由英国剑桥大学的安德森（Philip Anderson）和伊藤（Nobuyuki Itoh）在1975年提出，认为在中子内部携带超流体旋转角动量的涡流逐渐往外移动，在接近壳层原子核晶格结构时以某种方式被固定住，旋转角动量就会一直累积，直到某个时候涡流被释放，而把旋转角动量传递给壳层，造成壳层的瞬间快速旋转，也就是脉冲频率突增的现象。

时至今日，虽然已过了近半个世纪，纵使有不少科学家投入研究，但其中仍有许多细节仍待进一步的解释，在这些理论工作里，除了超流体物理之外，壳层附近仍具有超导性质的质子与电子，而且强磁场与强重力的环境因素也不可忽略。另外，中子星内部的物态方程（描述密度与力之间的关系）仍然未知，这和中子星内部超流体的性质或许也有重大的关联。

天文学的研究进展，就是一直在找既有理论的错误，提出更新的理论，做更新的观测进行验证或进一步发现无法妥善解释的现象等错误，以期再次提出更完善的理论，增进人类对自身所处宇宙的了解。