[비즈한국] 最近，我换了“人生电影”。因为6月18日在国内上映的《艾里欧》（Elio）。宇宙中真的只有我们吗？这部电影用最皮克斯的方式，回答了人类长久以来铭记于心的这一伟大问题。当听到天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）的声音响起时，我差点热泪盈眶。我认为，这部作品是对卡尔·萨根以及承载着他的梦想飞向宇宙的旅行者号（Voyager）探测器的一封致敬信。
《艾里欧》的所有事件都源于1977年离开地球的旅行者号探测器。走出太阳系的旅行者号被外星人发现，外星人破解了它所携带的“黄金唱片”后找到了地球。那么，外星人究竟是如何在这广袤的宇宙空间中定位地球的呢？
黄金唱片上刻有一幅由天文学家设计的特殊地图。地图上画着14条向四面八方延伸的直线，还有一条更长的直线。直线交汇的中心点，指明了地球的位置。这张地图是由卡尔·萨根的同事、天文学家弗兰克·德雷克（Frank Drake）构思的。他挑选了14颗被称为“脉冲星”的特殊恒星，将它们作为指引通往地球方向的罗盘。在旅行者号之前飞向宇宙的先驱者号（Pioneer）探测器上，也携带了刻有同样地图的金属板。而《艾里欧》中的外星人，正是顺着那张地图找到了地球！
不过，利用脉冲星寻路并非外星人的专属技术。事实上，现在人类也在构想一种超越GPS卫星、利用存在于宇宙中的天然GPS——脉冲星进行定位的新时代导航技术，即“脉冲星导航”。此外，脉冲星还能成为一种惊人的工具，用以追踪宇宙时空是如何整体振动的，甚至是探测时空的震颤和宇宙大爆炸的痕迹。用不了多久，我们不仅能开车、坐飞机，还能利用自大爆炸以来138亿年间始终在起伏波动的宇宙时空本源振动。
为什么德雷克偏偏选择了脉冲星作为外星人的指路星呢？在地球上，北极星是导航星。但一旦离开地球，北极星就沦为普通恒星之一。赋予北极星的特殊意义只在地球上有效。我们需要一颗适用于宇宙中所有生命、公平且普适的导航星。而脉冲星恰好能胜任这一角色。
脉冲星是一种以极短周期（仅几秒）自转的中子星。中子星是巨大恒星坍缩后的产物。因此，其自转速度极快，磁场也极为强大。沿着强磁场轴，中子星会喷发出强烈的能量。然而，其磁轴与自转轴并不完全重合（正如地球一样），而是略有倾斜。因此，从远处观察，它就像灯塔的光束随着自转不断扫过视线一样，喷发出的强能量呈现出明暗交替的闪烁感。由于自转周期非常短，信号看起来就像是以秒为间隔发射出的脉冲信号。因此，因为它能发射脉冲，才被称为“脉冲星”。
脉冲星的周期在毫秒量级上保持着极高的稳定性。就像每个人的指纹都略有不同一样，每颗脉冲星都有其独特的周期。只要知道周期，就能锁定特定脉冲星。此外，脉冲星释放的能量非常强，即便在遥远距离外也能相对容易捕捉，堪称宇宙灯塔。尤其是，脉冲星并非人工建筑，而是宇宙自然形成的灯塔。
德雷克认为，如果存在像人类一样航行宇宙并寻找其他文明的智慧生命，他们必然也会发现脉冲星并掌握其特征。他选定了银河系中14颗具有稳定振动周期的脉冲星，并以地球为中心，根据到各脉冲星的相对距离绘制了线条。每颗脉冲星的自转周期均以二进制表示。每条直线末端的锯齿状图案代表了以1和0记录的自转周期。为了提供距离尺度参照，还添加了从地球到银河系中心人马座A*黑洞的最长线条。这对航行在银河系中的匿名“搭车者”来说，将是有用的比例尺。如果《艾里欧》里的外星人那样聪慧，他们一定能通过旅行者号黄金唱片上的脉冲星坐标，根据空间位置反推出各条线汇聚而成的地球位置。
脉冲星是宇宙中最精确的时钟。如今，脉冲星不仅用于寻找地球，更成为感知整个宇宙时空震颤的工具。138亿年前大爆炸刚发生时，宇宙温度极高。随着宇宙快速膨胀，温度逐渐下降。当温度降至10的12次方K以下时，原本独立的基本粒子“夸克”开始聚集成质子和中子。那一刻，宇宙迎来了剧烈的大转变。这是一种堪比水蒸气瞬间凝结成水珠的急剧变化。事实上，我们将这一时期称为宇宙的“相变”。在那时，整个宇宙可能弥漫着时空本身发出的巨大震颤。其痕迹可能作为微弱扩散在时空中的引力波震颤残留下来，这就是宇宙背景中铺陈的“背景引力波”。
这与2015年通过LIGO引力波探测器捕捉到的引力波性质不同。当时捕捉到的是两个沉重黑洞相互碰撞产生的震颤。每当分布在宇宙各处的黑洞双星系统发生碰撞时，这种剧烈的引力波就会间歇性地散发出来。这可以看作是毫无预警地在各处突然爆发又消失的“引力波海啸”。
而“背景引力波”则不同。它是自太初宇宙以来，至今仍微弱地铺展在整个宇宙中的背景引力波，堪称“引力波涟漪”。背景引力波与大爆炸38万年后遍布宇宙的第一道光留下的“宇宙微波背景辐射”类似。可以将背景引力波看作是宇宙微波背景辐射的“引力波版本”。
这种振动会导致从地球观测到的各脉冲星信号比预期到达得更快或更慢。通过观察宇宙中脉冲星振动周期的细微变化，就能感知到扫过它们的引力波震颤。脉冲星就像是一个宇宙浮标系统，让我们能感受到透明宇宙时空的波浪。这种利用脉冲星感知时空震颤的观测方式被称为“脉冲星定时阵列”（Pulsar Timing Array）。
通过这项大规模观测，天文学家在2023年揭示了宇宙时空确实在整体振动的事实。这是耗时近十年、观测数十颗脉冲星所得出的惊人结论。而在一年多的时间过去后的今天，天文学家结合此前的观测结果，发现了更多新事实。随着位于南非的MeerKAT射电望远镜加入新的脉冲星定时阵列，人类以更宏大的视野探测到了时空的震颤。在过去5年中，研究人员对总计83颗脉冲星到达的所有信号进行了精确测量。人类历史上首次绘制出了“引力波地图”。
观察这张引力波地图，有一个有趣的现象：存在引力波震颤格外强烈的区域。这让人联想到现代天文学中引发激烈争论的“宇宙各向异性”话题。如果大爆炸留下的时空震颤是背景引力波，它应该均匀地分布在整个宇宙中，没有理由表现出这种方向性。
那么，难道是这一方向的宇宙中聚集了更多导致时空震颤的超大质量黑洞吗？这确实有可能。但需要谨慎对待。地图上显示的这一区域多出现在南半球天空，这很可能是因为近期脉冲星定时阵列通过南半球的MeerKAT进行观测而产生的“观测偏差”。
脉冲星不仅是展示宇宙整体震颤的精密工具，对在宇宙中迷失航向的探险者来说，它也是最准确、最有用的导航星。对于飞出地球、航行在宇宙中的探测器来说，绝对的导航星至关重要。此前，在火星、木星等太阳系内航行的探测器主要将天狼星（Sirius）或老人星（Canopus）等地球周围最亮的恒星作为导航星。但问题在于，恒星本身也在移动，并非静止。因此，普通恒星无法成为终极的“绝对导航星”。对于像旅行者号、先驱者号以及后来飞向冥王星以外、完全离开太阳系的“新视野号”（New Horizons）探测器来说，这些普通恒星更是毫无用处。
相反，由于脉冲星以固定周期振动，且距离极其遥远，实际上在视野中看起来就像是固定在一点，因此它们可以成为更绝对的基准。特别是对于梦想着未来离开地球、航行在宇宙中的人类来说，利用脉冲星的“宇宙导航”是一项非常重要且现实的课题。
实际上，NASA在2017年曾尝试仅利用脉冲星来获取空间站精确位置坐标的实验。该实验不与地球地面站交换任何信息，完全依赖脉冲星来确定空间站的位置。为此，空间站上搭载了一台名为“SEXTANT”（X射线计时与导航空间站探测器）的设备，大小仅如洗衣机一般，用于捕捉X射线信号。通过该设备，仅凭四颗X射线脉冲星，就成功将空间站在宇宙空间中的位置锁定在5公里以内的误差范围内。考虑到空间站正以时速2.8万公里的极快速度飞行，仅依赖脉冲星就能实现如此精确的定位，这是一个非常惊人的结果。
在地球上，我们通过头顶处于地球同步轨道的GPS卫星信号来寻找自己的位置。但说到底，GPS卫星也只是在地球周围快速环绕的人造卫星。如果最初无法确定GPS卫星的绝对位置，那么以它们为基准进行导航也毫无意义。因此，天文学家正在思考如何利用在宇宙尽头释放强大能量的活动星系核（类星体），或者在宇宙全境以恒定节奏发射脉冲信号的脉冲星本身，将其作为“GPS的GPS”来使用。
随着人类文明的不断进阶，我们的生活正变得越来越精细，分秒必争、精确到毫米。未来的时代将会更加敏感。我们将进入一个微小的1毫秒、1微米的差异都可能带来巨大社会成本的“超敏感社会”。过去那种用大数字模糊处理、总是伴随着巨大误差的天文学已成历史。天文学正转型为关注瞬息时间的超精密科学领域。这种变化将使我们日常生活的刻度变得更加锐利和精准。不久后，我们将生活在一个乘坐由脉冲星导航的自动驾驶巴士、在类星体引导下奔赴火星的航天器中尽情航行的时代。
参考资料
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作者池雄培（Ji Woong-bae）是谁？他热爱猫咪和宇宙。儿时在看过《银河铁道999》后，立志要将宇宙的美丽传播给世人。目前在延世大学星系演化研究中心及近宇宙学实验室研究通过星系间相互作用进行的演化，并进行演讲和写作等多样化的科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天都在想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书籍。