在滿天的星星裡有一種特別的天體，它們用極其穩定的週期發出一閃一閃的無線電脈衝，如同GPS衛星一樣，天文學家稱這種天體為脈衝星（pulsar）也可稱為波霎。最先是由英國劍橋大學的

喬瑟琳·貝爾·伯內爾（Jocelyn Bell）和其指導教授安東尼·休伊什（Antony Hewish）在1967年所發現，因當時無線電波已經被用來作為通信使用，所以探測到從外太空的宇宙深處傅來有規律的無線電訊號時，一開始很難不與外星文明產生聯想，更把最早發現的幾個脈衝星以「小綠人（Little Green Man）」的名稱來編號！

到目前止，總共有2700個脈衝星被發現，每個脈衝星都有一個自己的週期，這些無線電脈衝的週期長短從一、兩毫秒到好幾秒都有。每個脈衝星的週期都會緩慢地變長，但變化率極小，大多是每秒增長千兆分之一秒的數量級，也就是每3000年才會增加1秒。因此，脈衝星的週期非常穩定定，大概是宇宙中最精的始終了，估計只有銫原子鐘才能與之媲美。

脈衝星的真面目原來是中子星

脈衝星究竟是什麼樣的天體呢？根據週期長短及其極緩慢增長的現象，天文學家認為脈衝星是快速旋轉且帶有強磁場的中子星。中子星是由大質量恆星演化到最後經過超新星爆發事件，所遺留下來的坍縮核心。事實上，滿天星斗其實都是像太陽一樣的恆星，在恆星內部核心處進行著核聚變反應，為恆星提供發光發熱所需要的能量。

隨著時間的推移，當恆星耗盡核燃料以後，與太陽類似質量的恆星演化到最後，會變成一顆白矮星；而質量較大的恆星則會發生超新星爆炸事件留下一顆中子星；質量更大的，就有可能變成黑洞因。以下就只談談與本文主題有關的中子星。

中子星是咋來的

大質量恆星演化到最後，核心會產生一個大鐵核，進一步的重力塌縮，使得外部的物質爆開，而中間的核心部分密度則高到連原子核的界線都擠破，大量的質子與電子結合成中子，形成由中子租成的中子星。中子星的組成非常緻密，大約有1~2倍的太陽質量，但是半徑卻只有10公里左右，如同把整個太陽壓縮到一個城市的大小，密度極高且表面重力極強，光是一小湯匙的中子星物質就重達100萬噸！

另外，中子星旋轉得速度很快，重力塌縮時就像是原先張開雙臂的滑冰運動員把手收回一樣，使自身旋轉速度提升。中子星形成的時候，也會產生極強的磁場，其表面的磁場強度大是地球表面的一兆倍，有些甚至可高達1000兆倍。

發現脈衝星以及脈衝星週期的異常

中子星表面外的強磁場區域裡（一般稱此區磁層）有許多高能量的電子及其反粒子（正電子）。天文學家相信這些電子與正電子可以在磁層裡朝某些方向放射出強烈的無線電波。中子星的磁軸與自轉軸通常不在同一方向，類似地球一樣中間夾著一個磁傾角，所以中子星旋轉的時候，無線電波輻射就如同燈塔照射出來的燈光，以固定的週期掃過遠方的觀察者。這些輻射及電子與正電子會帶走中子星的旋轉動能，使中子星旋轉越來越慢，造成周期越來越長，不過，如同上文提及，其變化率極小，因此脈衝星有非常穩定的週期。中子星的理論在1930年代被提出來，經過30多年，終於在1960年代末經由脈衝星的發現證實了中子星的存在。

但是，就在脈衝星被發現一年多以後，由來自澳大利亞帕克斯天文臺（Parkes Observatory）的曼徹斯特（Richard N.Manchester）和拉達克裡希南（V.Radhakrishnan）及美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）的萊許利（E. Reichley）和唐斯（g.s. Downs）兩組天文學家分別獨立測量到一個脈衝星的週期在非常短的時間內突然變短，此脈衝星是位船帆座超新星殘骸（Vela supernova remnant）中的船帆脈衝星，在1969年2月底，週期89毫秒的脈衝星，穩定緩慢變長的週期突然變短了百萬分之二。一個89毫秒就自轉一圈的中子星怎麼會突然旋轉加快？此現象稱為脈衝頻率突增（pulsarglitch），也就是脈衝週期突減，是脈衝週期的異常變化。

半年後，1969年9月底，第二個脈衝頻率突增現象在蟹狀星雲裡的脈衝星上被觀測到，這次的週期變化幅度很小，大約的是十億分之七左右。接下來在1971年7月蟹狀星雲裡的脈衝星又被觀測到一次頻率突增，週期變化幅度仍然很小，大約是十億分之二左右。1971年8月，船帆脈衝星再一次被觀測到頻率突增，週期化幅度仍大約是百萬分之二左右。

以上是最早先被觀測到的4次脈衝頻率異常現象，直至今（2019）年7月底，在已知的2702個脈衝星中，總共有189個脈衝星被觀測到有脈衝頻率突增的現象，次數總計有548次。每一次的週期變化幅度大小不一，大的如最早發現的1969年船帆脈衝星頻率突增，有百萬分之一左右的變化幅度；小的則像蟹狀星雲脈衝星，大約是十億分之一左右。脈衝星發生週期突減之後會有一段恢復期，週期以較快的速度變長，大約恢復到原來的變化趨勢，有些時候則可能留下永久的變化。

脈衝星頻率突增的元兇，難道是星震惹的禍？

脈衝星頻率突增的現象發現後不久，當時還在美國紐約大學任教的魯德曼（Malvin Ruderman）就提出星震（starquake）的理論模型解釋。他指出，中子星的結構可以分成外部的固態殼層及內部的液態核心。殼層主要是鐵原子核排列在極其緻密的晶格結構裡，核心則是極高密度的大量中子組成的超流體，因為中子星旋轉得非常快，整個星球並非完美的圓球狀，而是在赤道方向略突出的橢球狀。

地球其實也有類似的情況：兩極方向上的半徑為6357公里，而赤道方向上的半徑則是6378公里。隨著中子星旋轉的緩緩變慢，整個星球應該越來越趨向圓球形，這個過程中液態核心可以隨時調整分佈，但是固態的殼層卻無法輕易改變自身形狀，於是壓力就一直累積，直到殼層無法承受，短時間內擠壓變形，赤道上的殼層內縮，造成中子星旋轉的瞬間變快也就是脈衝頻率突增的現象。

星震理論提出後一時聲名大噪，一方面是名稱與地震相呼應，概念也類似，為大家所熟悉。另一方面則是頻率突增後的恢復期時間尺度大約是好幾年，能支持液態核心是超流體的概念。理論中提到的超流體，是一種完全沒有黏滯性的流體，實際上，極低溫的液態氮就有超流的性質。超流體的現象是在1938年被發現，而中子星內部物是超流體的概念則是在1960年由前蘇聯物理學家米格達爾（Arkady Migdal）所提出。脈衝頻率突增後，變快的殼層受到核心流體的黏滯力作用而變慢，因此有所謂的恢復期，但因內部液態核心是超流體，在與殼層交接處的黏滯力較弱，所以恢復期需要好幾年的時間。

不過，星震理論也面臨一個極大的挑戰：以一般合理的參數範圍來說，壓力要累積到殼層無法承受，需要很長的一段時間，至少是幾百年以上。而魯德曼在他1969年星震理論的論文最後也提到，他無法解釋為什麼這麼湊巧在船帆脈衝星發現不到一年的時間裡，船帆脈衝星就發生了數百年才會有一次的脈衝頻率突增。而且，船帆脈衝星在兩年半後又發生第二次的頻率突增，蟹狀星雲脈衝星也在短短的兩年就出現兩次頻率突增。這些例證使得天文學家開始改變方向，去尋找引起脈衝頻率突增的其它可能機制。

順帶一提，「星震」一詞後來也被用在星震學，與前面所說的星震是不同的意思。星震學與日震學類似，都是利用觀測星球表面的現象來研究星球的內部結構，因太陽距離地球較近，日震的觀測已經大幅增加人們對太陽的瞭解，而其它星球的星震研究也正蓬勃展中。

找出脈衝頻率突增的真相，天文學家持努力中

雖然脈衝頻率突增的確切成因還沒有完全瞭解，近年來大部分的研究方向仍是與中子星內部的中子超流體有關，其中主要的想法最先是由英國劍橋大學的安德森（Philip Anderson）和伊藤（Nobuyuki Itoh）在1975年提出，認為在中子內部攜帶超流體旋轉角動量的渦流逐漸往外移動，在接近殼層原子核晶格結構時以某種方式被固定住，旋轉角動量就會一直累積，直到某個時候渦流被釋放，而把旋轉角動量傳遞給殼層，造成殼層的瞬間快速旋轉，也就是脈衝頻率突增的現象。

時至今日，雖然已過了近半個世紀，縱使有不少科學家投入研究，但其中仍有許多細節仍待進一步的解釋，在這些理論工作裡，除了超流體物理之外，殼層附近仍具有超導性質的質子與電子，而且強磁場與強重力的環境因素也不可忽略。另外，中子星內部的物態方程（描述密度與力之間的關係）仍然未知，這和中子星內部超流體的性質或許也有重大的關聯。

天文學的研究進展，就是一直在找既有理論的錯誤，提出更新的理論，做更新的觀測進行驗證或進一步發現無法妥善解釋的現象等錯誤，以期再次提出更完善的理論，增進人類對自身所處宇宙的瞭解。