[비즈한국] 最近，我換了“人生電影”。因為6月18日在國內上映的《艾里歐》（Elio）。宇宙中真的只有我們嗎？這部電影用最皮克斯的方式，回答了人類長久以來銘記於心的這一偉大問題。當聽到天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）的聲音響起時，我差點熱淚盈眶。我認為，這部作品是對卡爾·薩根以及承載著他的夢想飛向宇宙的旅行者號（Voyager）探測器的一封致敬信。
《艾里歐》的所有事件都源於1977年離開地球的旅行者號探測器。走出太陽系的旅行者號被外星人發現，外星人破解了它所攜帶的“黃金唱片”後找到了地球。那麼，外星人究竟是如何在這廣袤的宇宙空間中定位地球的呢？
黃金唱片上刻有一幅由天文學家設計的特殊地圖。地圖上畫著14條向四面八方延伸的直線，還有一條更長的直線。直線交匯的中心點，指明瞭地球的位置。這張地圖是由卡爾·薩根的同事、天文學家弗蘭克·德雷克（Frank Drake）構思的。他挑選了14顆被稱為“脈衝星”的特殊恆星，將它們作為指引通往地球方向的羅盤。在旅行者號之前飛向宇宙的先驅者號（Pioneer）探測器上，也攜帶了刻有同樣地圖的金屬板。而《艾里歐》中的外星人，正是順著那張地圖找到了地球！
不過，利用脈衝星尋路並非外星人的專屬技術。事實上，現在人類也在構想一種超越GPS衛星、利用存在於宇宙中的天然GPS——脈衝星進行定位的新時代導航技術，即“脈衝星導航”。此外，脈衝星還能成為一種驚人的工具，用以追蹤宇宙時空是如何整體振動的，甚至是探測時空的震顫和宇宙大爆炸的痕跡。用不了多久，我們不僅能開車、坐飛機，還能利用自大爆炸以來138億年間始終在起伏波動的宇宙時空本源振動。
為什麼德雷克偏偏選擇了脈衝星作為外星人的指路星呢？在地球上，北極星是導航星。但一旦離開地球，北極星就淪為普通恆星之一。賦予北極星的特殊意義只在地球上有效。我們需要一顆適用於宇宙中所有生命、公平且普適的導航星。而脈衝星恰好能勝任這一角色。
脈衝星是一種以極短週期（僅幾秒）自轉的中子星。中子星是巨大恆星坍縮後的產物。因此，其自轉速度極快，磁場也極為強大。沿著強磁場軸，中子星會噴發出強烈的能量。然而，其磁軸與自轉軸並不完全重合（正如地球一樣），而是略有傾斜。因此，從遠處觀察，它就像燈塔的光束隨著自轉不斷掃過視線一樣，噴發出的強能量呈現出明暗交替的閃爍感。由於自轉週期非常短，訊號看起來就像是以秒為間隔發射出的脈衝訊號。因此，因為它能發射脈衝，才被稱為“脈衝星”。
脈衝星的週期在毫秒量級上保持著極高的穩定性。就像每個人的指紋都略有不同一樣，每顆脈衝星都有其獨特的週期。只要知道週期，就能鎖定特定脈衝星。此外，脈衝星釋放的能量非常強，即便在遙遠距離外也能相對容易捕捉，堪稱宇宙燈塔。尤其是，脈衝星並非人工建築，而是宇宙自然形成的燈塔。
德雷克認為，如果存在像人類一樣航行宇宙並尋找其他文明的智慧生命，他們必然也會發現脈衝星並掌握其特徵。他選定了銀河系中14顆具有穩定振動週期的脈衝星，並以地球為中心，根據到各脈衝星的相對距離繪製了線條。每顆脈衝星的自轉週期均以二進位制表示。每條直線末端的鋸齒狀圖案代表了以1和0記錄的自轉週期。為了提供距離尺度參照，還新增了從地球到銀河系中心人馬座A*黑洞的最長線條。這對航行在銀河系中的匿名“搭車者”來說，將是有用的比例尺。如果《艾里歐》裡的外星人那樣聰慧，他們一定能透過旅行者號黃金唱片上的脈衝星座標，根據空間位置反推出各條線匯聚而成的地球位置。
脈衝星是宇宙中最精確的時鐘。如今，脈衝星不僅用於尋找地球，更成為感知整個宇宙時空震顫的工具。138億年前大爆炸剛發生時，宇宙溫度極高。隨著宇宙快速膨脹，溫度逐漸下降。當溫度降至10的12次方K以下時，原本獨立的基本粒子“夸克”開始聚整合質子和中子。那一刻，宇宙迎來了劇烈的大轉變。這是一種堪比水蒸氣瞬間凝結成水珠的急劇變化。事實上，我們將這一時期稱為宇宙的“相變”。在那時，整個宇宙可能瀰漫著時空本身發出的巨大震顫。其痕跡可能作為微弱擴散在時空中的引力波震顫殘留下來，這就是宇宙背景中鋪陳的“背景引力波”。
這與2015年透過LIGO引力波探測器捕捉到的引力波性質不同。當時捕捉到的是兩個沉重黑洞相互碰撞產生的震顫。每當分佈在宇宙各處的黑洞雙星系統發生碰撞時，這種劇烈的引力波就會間歇性地散發出來。這可以看作是毫無預警地在各處突然爆發又消失的“引力波海嘯”。
而“背景引力波”則不同。它是自太初宇宙以來，至今仍微弱地鋪展在整個宇宙中的背景引力波，堪稱“引力波漣漪”。背景引力波與大爆炸38萬年後遍佈宇宙的第一道光留下的“宇宙微波背景輻射”類似。可以將背景引力波看作是宇宙微波背景輻射的“引力波版本”。
這種振動會導致從地球觀測到的各脈衝星訊號比預期到達得更快或更慢。透過觀察宇宙中脈衝星振動週期的細微變化，就能感知到掃過它們的引力波震顫。脈衝星就像是一個宇宙浮標系統，讓我們能感受到透明宇宙時空的波浪。這種利用脈衝星感知時空震顫的觀測方式被稱為“脈衝星定時陣列”（Pulsar Timing Array）。
透過這項大規模觀測，天文學家在2023年揭示了宇宙時空確實在整體振動的事實。這是耗時近十年、觀測數十顆脈衝星所得出的驚人結論。而在一年多的時間過去後的今天，天文學家結合此前的觀測結果，發現了更多新事實。隨著位於南非的MeerKAT射電望遠鏡加入新的脈衝星定時陣列，人類以更宏大的視野探測到了時空的震顫。在過去5年中，研究人員對總計83顆脈衝星到達的所有訊號進行了精確測量。人類歷史上首次繪製出了“引力波地圖”。
觀察這張引力波地圖，有一個有趣的現象：存在引力波震顫格外強烈的區域。這讓人聯想到現代天文學中引發激烈爭論的“宇宙各向異性”話題。如果大爆炸留下的時空震顫是背景引力波，它應該均勻地分佈在整個宇宙中，沒有理由表現出這種方向性。
那麼，難道是這一方向的宇宙中聚集了更多導致時空震顫的超大質量黑洞嗎？這確實有可能。但需要謹慎對待。地圖上顯示的這一區域多出現在南半球天空，這很可能是因為近期脈衝星定時陣列透過南半球的MeerKAT進行觀測而產生的“觀測偏差”。
脈衝星不僅是展示宇宙整體震顫的精密工具，對在宇宙中迷失航向的探險者來說，它也是最準確、最有用的導航星。對於飛出地球、航行在宇宙中的探測器來說，絕對的導航星至關重要。此前，在火星、木星等太陽系內航行的探測器主要將天狼星（Sirius）或老人星（Canopus）等地球周圍最亮的恆星作為導航星。但問題在於，恆星本身也在移動，並非靜止。因此，普通恆星無法成為終極的“絕對導航星”。對於像旅行者號、先驅者號以及後來飛向冥王星以外、完全離開太陽系的“新視野號”（New Horizons）探測器來說，這些普通恆星更是毫無用處。
相反，由於脈衝星以固定週期振動，且距離極其遙遠，實際上在視野中看起來就像是固定在一點，因此它們可以成為更絕對的基準。特別是對於夢想著未來離開地球、航行在宇宙中的人類來說，利用脈衝星的“宇宙導航”是一項非常重要且現實的課題。
實際上，NASA在2017年曾嘗試僅利用脈衝星來獲取空間站精確位置座標的實驗。該實驗不與地球地面站交換任何資訊，完全依賴脈衝星來確定空間站的位置。為此，空間站上搭載了一臺名為“SEXTANT”（X射線計時與導航空間站探測器）的裝置，大小僅如洗衣機一般，用於捕捉X射線訊號。透過該裝置，僅憑四顆X射線脈衝星，就成功將空間站在宇宙空間中的位置鎖定在5公里以內的誤差範圍內。考慮到空間站正以時速2.8萬公里的極快速度飛行，僅依賴脈衝星就能實現如此精確的定位，這是一個非常驚人的結果。
在地球上，我們透過頭頂處於地球同步軌道的GPS衛星訊號來尋找自己的位置。但說到底，GPS衛星也只是在地球周圍快速環繞的人造衛星。如果最初無法確定GPS衛星的絕對位置，那麼以它們為基準進行導航也毫無意義。因此，天文學家正在思考如何利用在宇宙盡頭釋放強大能量的活動星系核（類星體），或者在宇宙全境以恆定節奏發射脈衝訊號的脈衝星本身，將其作為“GPS的GPS”來使用。
隨著人類文明的不斷進階，我們的生活正變得越來越精細，分秒必爭、精確到毫米。未來的時代將會更加敏感。我們將進入一個微小的1毫秒、1微米的差異都可能帶來巨大社會成本的“超敏感社會”。過去那種用大數字模糊處理、總是伴隨著巨大誤差的天文學已成歷史。天文學正轉型為關注瞬息時間的超精密科學領域。這種變化將使我們日常生活的刻度變得更加銳利和精準。不久後，我們將生活在一個乘坐由脈衝星導航的自動駕駛巴士、在類星體引導下奔赴火星的航天器中盡情航行的時代。
參考資料
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作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？他熱愛貓咪和宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立志要將宇宙的美麗傳播給世人。目前在延世大學星系演化研究中心及近宇宙學實驗室研究透過星系間相互作用進行的演化，並進行演講和寫作等多樣化的科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天都在想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書籍。