前言

脉冲星是20世纪60年代天文学的四大发现之一，它的发现证实了中子星的存在．脉冲星被发现已经有50年，但仍然是天体物理学重点研究的对象之一．这除了因为其本身的特异性质之外，还因为其在天文学和物理学领域的广泛性，以至于能够分别与不同学科在许多前沿领域上交叉．

一般认为，中子星具有和太阳相当的质量，但半径只有10km，具有非常高的密度，是一种极端致密的恒星．中子星还具有超高压、超强磁场和超强辐射等物理特性，成为一种地球上不可能有的极端物理条件下的天体实验室．科学家奋斗了半个多世纪的关于引力波的监测终于在脉冲星双星的观测研究中首次获得间接验证．脉冲星和脉冲双星的发现者分别于1974年和1993年获得诺贝尔物理学奖，引起了全世界的关注．

1982年人们发现了毫秒脉冲星，找到了另一类脉冲星．在此之前，学者们认为射电脉冲星和X射线脉冲双星是毫无关系的两类，但很快就发现它们有着紧密的关系，确认毫秒脉冲星是由X射线双星演化而来的．寻找太阳系之外的行星系统是十分引人关注的研究课题．人们始料未及的是，此类系统最先发现的成功例子却属于脉冲星．2003年发现的由一个毫秒脉冲星和一个普通脉冲星组成的双脉冲星系统，是脉冲双星中绝无仅有的一例，为广义相对论在强引力场中的检验提供了新的证据，也证实了天文学家关于毫秒脉冲星演化过程的理论推测．

在脉冲星被发现后，人们陆续发现部分脉冲星与超新星遗迹相关联，证实了超新星爆发是中子星产生的主要机制．其中在蟹状星云中发现脉冲星是一个标志性事件，解决了使天文学家困惑多时的“蟹状星云能源之谜”．研究表明，可能有些中子星是由于白矮星吸积伴星物质使其质量超过Chandrasekhar质量极限后塌缩而成的．

脉冲星有稳定的周期，周期虽然在缓慢增加，但变化极慢，周期变化率只有10 ^-13 ～10 ^-20 s/s．这种周期的增加是有规律的，但其中包含微小而没有规律的起伏，称为时间噪声．有的毫秒脉冲星几年才有几分之一微秒的起伏，因此其稳定性足以和原子钟媲美，有可能成为有实用价值的、作为时间标准的“脉冲星钟”．脉冲星已成为研究星际介质的有力工具，被誉为“星际介质的探针”．人们已经通过脉冲星辐射特征探测出银河系中的自由电子密度和平均磁场分布．

脉冲星的辐射特性更是丰富多彩、引人入胜．脉冲星发出的辐射集中在一个很窄的范围内，就像海上的灯塔所发出的两束光，这使它成为宇宙空间中不停转动的灯塔．高速自转的脉冲星有一个与它一起共转的磁层．磁层中充满了电荷分离的等离子体．辐射过程发生在磁极冠的开放磁力线所覆盖的区域中．半径只有10km的脉冲星，不可能由现阶段的望远镜直接观测出其空间结构．然而，通过对脉冲星的脉冲形状的分析，可以给出脉冲星辐射区的位形，如大小、结构和高度以及磁层结构和辐射机制等等．有少数脉冲星还观测到光学、X射线、γ射线脉冲．脉冲星磁层中开放磁力线区域是一个包含了极端相对论性带电粒子、超强的等离子体波和极强磁场的区域．这些条件是多数其他天体所不具备的．

脉冲星辐射的有些特性异常复杂，扑朔迷离．如有些脉冲星的辐射时有时无，常常缺失很多脉冲，被称为零脉冲的脉冲缺失少的达5%，多的可超过50%，被称为间歇脉冲星的脉冲缺失可达90%以上，最极端的称为转动射电暂现源（简称为RRAT）的脉冲星，每次辐射仅持续2～30ms，停歇的时间则长达几分钟至几小时，一天之中累计辐射时间也就是1s左右．然而，人们依然能精确测出它们的周期和周期变化率．脉冲星辐射偶尔还会出现非常强的巨脉冲，强度超过平均值的几十倍、百倍，甚至千倍以上．PSRB1937+21的最大的巨脉冲，其亮温度大于5×10 ³⁹ K，成为宇宙中具有最高亮温度的辐射过程．

中子星的空间观测发展很快．许多空间观测设备陆续发射上天，如Hubble空间望远镜、Röntgen X射线天文卫星、宇宙学和天体物理学高新卫星（ASCA）、BeppoSAX、RXTE、Comptonγ射线天文台、ChandraX射线天文台、NewtonX射线多镜望远镜、Fermiγ射线太空望远镜等，加上地面上的H.E.S.S．大气Cherenkov望远镜阵，以及地基光学望远镜等的观测，得到了一系列令人兴奋的新发现．中子星的品种越来越多，如X射线双星、反常X射线脉冲星（AXP）、软γ射线重复暴发源（SGR）、中心致密天体（CCO）、孤立的暗热中子星（DTN）等，实质上改变了早期关于中子星演化的图像．

今天的中子星世界非常丰富．已发现的中子星按照辐射能量来源的不同被分为三类：一类其辐射能量来自中子星自转能的损失，称为转动能脉冲星，射电脉冲星、X射线脉冲星和γ射线脉冲星都属于这一类；另一类其辐射能量来自吸积伴星物质，称为吸积型脉冲星，包括吸积供能X射线脉冲星、X射线暴发源；再一类就是所谓的“磁星”（辐射的能量来自磁能），包括软γ射线重复暴发源和反常X射线脉冲星．

目前有一种看法正在兴起，认为脉冲星是（至少部分是）夸克星．这种看法认为，当构成中子星的强子在足够高压下解禁，构成中子等的夸克会游离开来，其中部分还进一步转化成奇异夸克，这时的星体就是由奇异夸克物质所构成的“夸克星”．当然，这仍然处在理论探讨和寻求观测证据的过程中．

50年来，观测能力的巨大提高和理论研究的深入，依然没有使一些基本问题得到解决．脉冲星的辐射特性错综复杂，理论解释依然是一个难题．脉冲星周期突快和不规则变化的物理原因仍然扑朔迷离．近些年来又增加了诸如“脉冲星是否就是夸克星”, “射电脉冲星、反常X射线脉冲星、软γ射线重复暴发源、中心致密天体、孤立的暗热中子星之间的关系如何”, “反常X射线脉冲星、软γ射线重复暴是强磁场的中子星吗”等等新问题．这些问题的答案仍然是天文学家要长期寻找的．

以引力波探测为基础的引力波天文学是一门正在崛起的新兴交叉科学，是继以电磁辐射为探测手段的传统天文学之后，人类观测宇宙的一个新窗口． 1974年射电脉冲双星的发现和随后的观测找到了引力波存在的间接证据，成为引力波天文学的开路先锋．LIGO已经接收到来自两个黑洞并合以及双中子星并合所发出的引力波．脉冲星时间阵的建立和观测期望发现宇宙早期发出的引力波．脉冲星的观测研究推动了引力波天文学的崛起．

我国的脉冲星研究始于20世纪70年代中期．在那时，我国的射电望远镜还不具备观测脉冲星的能力，只能利用国外的观测资料进行理论研究．我国学者于20世纪80年代末期开始利用国际上大型射电望远镜进行脉冲星观测研究．1990年开始利用北京天文台15m射电望远镜进行脉冲星观测实验，继而于1996年利用新疆天文台的25m射电望远镜进行观测实验，获得了成功，当即组建了由中国（新疆天文台、北京大学、香港大学），澳大利亚Manchester教授，英国Lyne教授参加的三国五方合作，迅速地在新疆天文台建立了我国第一个脉冲星观测基地．随着国内射电望远镜的发展，云南天文台的40m射电望远镜、上海天文台的65m射电望远镜已经开始进行脉冲星的观测．2016年建成的贵州500m口径射电望远镜（FAST）和筹建中的新疆110m射电望远镜将具有非常强的观测脉冲星的能力，会帮助我国的脉冲星观测研究进入世界先进行列．目前国内脉冲星研究队伍不断扩大，不仅包括中科院天文台和高校天文院系，而且也有人来自很多高校的物理专业．在撰写本书的过程中，作者受到了国内同行的关心、鼓励、支持和帮助，特此致谢．

本书的三位作者多年来在北京大学从事脉冲星物理的研究工作，并讲授“脉冲星物理”“致密星物理”“高能天体物理”等课程．本书是在我们所编写讲义的基础上，综合了国内外脉冲星研究成果而写成的．本书将系统地阐述脉冲星研究的意义、基本观测事实、基本理论、基本方法和已取得的研究成果，还将介绍夸克星、X射线双星和相关天体的研究进展．本书力求说清楚射电脉冲星的天文学和物理学内涵，反映国际和我国在脉冲星的理论和观测研究方面的成果．这本书除作为天体物理学研究生教材和主要参考书的功能外，还可以作为从事脉冲星研究人员的参考书，对于从事物理学教学和研究的广大师生也有参考意义．

本书共十六章，其中第八（除§8.4外）、第九、第十三和第十四章是乔国俊撰写，第十和第十六章及第一章§1.5为徐仁新撰写，其余各章节是吴鑫基撰写．三位作者的写作风格有些差异，内容还有少许重复，请读者见谅．感谢北京大学邵立晶、卢吉光两位在读博士生阅读了大部分初稿，感谢新疆天文台袁建平博士等、国家授时中心杨廷高研究员和紫金山天文台刘庆忠研究员仔细阅读了有关章节，他们都提出了很好的建议和修改意见．鉴于本书涉及广泛的脉冲星观测和理论研究的成果及有关知识，而我们从事的研究课题有限，难免存在不少缺点和错误以及某些疏漏和偏爱，欢迎读者批评指正．

吴鑫基乔国俊徐仁新
2017年10月