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探索浩瀚宇宙的脚步:脉冲星发现50周年纪念

中国科学院国家天文台2017年02月20日11:31

[摘要]1967年,乔瑟琳•贝尔 (Jocelyn Bell)博士发现了人类历史上第一颗脉冲星,时至今日,已过去了整整50年。

探索浩瀚宇宙的脚步:脉冲星发现50年纪念

脉冲星之母,英国皇家学会院士乔瑟琳•贝尔

文/张承民国台研究员、尚伦华、王双

脉冲星发现的奇特经历: 1967年的一个夏日, 剑桥大学射电天文台正在进行星空无线电信号流量变化研究,即射电闪烁,负责执行望远镜观测和数据分析的科研人员是一位来自爱尔兰的女博士研究生,名字叫乔瑟琳•贝尔 (Jocelyn Bell)。 她夜以继日地工作,在大量并纷乱的记录纸带上仔细摸索射电闪烁信号的特征,这是太阳系带电介质干扰星空无线电传播的结果,其流量呈现出秒量级的准周期变化。 此现象可以类比于“天上的星星在眨眼”,这源于地球大气层扰动引发的光学波段的闪烁。 然而, 贝尔偶然察觉到一个奇怪而且周期极其规则的“干扰”信号——每隔1.33秒的精准时间的脉冲信号。这令她十分诧异,难道宇宙的“心电图”存在“人为故意”的钟表准时效应? 得知这一令人难以置信的观测分析, 她的导师休伊什(Antony Hewish) 曾猜想这可能是外星人——“小绿人”——发出的摩尔斯电码,在向地球呼叫。然而, 进一步查找观测数据表明,这个脉冲信号的频率极其精确;接下来,贝尔和同事又发现不同天区的另外3个周期各异的脉冲信号源;所以这排除了外星人信号,因为不可能有三个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射不同的脉冲信号。再经过射电望远镜的色散测量,贝尔给出脉冲星距离地球大约是几万光年, 这意味着脉冲信号源于银河系起源的天体。 经过一番努力,贝尔和休伊什在英国《自然》杂志上发表了脉冲星发现的论文,并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密的中子星(也许是夸克星或其它核物态致密星)。消息很快轰动了世界科学界,这是不曾奢望而极其意外的发现,堪称是20世纪的一个重大发现,为天文学和天体物理研究开辟了新的领域,而且对现代物理学的验证产生了深远影响,并被誉为20世纪天文学的四大发现之一(另三个发现是:星际分子,类星体,宇宙微波背景辐射)。

脉冲星为什么是宇宙的灯塔和空间天然实验室:

探索浩瀚宇宙的脚步:脉冲星发现50年纪念

50年来, 天文学家已经观测到2700多颗各种类型的脉冲星,它们是转动的中子星,而最快转动的周期居然达到毫秒量级,1.4毫秒。现在已知,中子星是大质量恒星的演化产物,相当于十几个太阳的恒星在其核能燃烧耗尽以后,将经历超新星爆发,期间星体的核心部分塌缩成高度致密的中子星, 其质量大约一个太阳,而半径只有约10千米。 形象地比喻: 中子星相当于太阳系的全部质量压缩到北京市区的范围。 其密度惊人的高,一个乒乓球大小的中子星物质相当于喜马拉雅山的质量!其磁场也是超高, 达到万亿高斯, 即地磁场的万亿倍。所以,脉冲星可以作为天然的实验室,用来检验极端物理环境下的物质运动规律, 诸如验证强引力场的爱因斯坦广义相对论效应,包括引力波现象。中子星的高度致密物质物态还是检验核物理理论的极佳场所;其强磁场导致的电磁辐射现象也是等离子体物理的研究领域。

脉冲星为什么发射脉冲信号? 研究发现,电磁辐射来自于其强磁场的极冠区, 当中子星转动时,磁极冠发出的电磁信号像海岸上的灯塔一样,扫过星空。每当脉冲星辐射扫过地球, 地面的射电望远镜就收到一个信号, 因此天文学家记录到像“心电图”一样的系列脉冲。 此外, 脉冲星的转动是高度稳定的, 其周期变慢一秒大约需要千万年时间, 这与实验室制备的氢原子钟一样稳定,堪称宇宙最精准的钟或 “宇宙灯塔” 。 基于这一性质,脉冲星可以作为导航时间信标参考。 不久前我国发射的脉冲星导航试验卫星XPNAV-1就是应用案例。50年来的观测表明,脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等多个电磁波频段产生辐射,为此天文学家在地面和太空设置了大量的探测设备,用于监测和研究其运动和演化性质, 例如:在我国贵州已经落成的500米口径射电望远镜(FAST); 这一方面提升人类认识宇宙的能力, 另一方面,通过这些高科技设施和装置的建设,提升我国工业体系的现代化能力。

脉冲星如何验证爱因斯坦预言和引力波的存在:

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在地球上和太阳系里,爱因斯坦广义相对论的四个预言得到验证,包括光线在引力场偏折,近星点进动,引力红移,雷达回波延迟;2016年,引力波的直接证据被美国激光干涉引力波天文台(LIGO)所证实。在此之前,天文学家采用脉冲星双星系统间接展示了轨道收缩现象,这是爱因斯坦引力波的预言。1974年,激动人心的消息来自美国波多黎各山谷的阿雷西博天文台(Arecibo Observatory),这里安装了当时世界最大的单口径(300米)射电望远镜。两名普林斯顿大学天文学家泰勒(J.Taylor)和赫尔斯(R. Hulse)首次发现脉冲星双星系统(命名PSR1913+16)。此发现是一个天赐良机,可用它来检验爱因斯坦关于引力波的预言。双星绕转运动将辐射引力波,导致能量和角动量损失,双星轨道收缩。这个效应很小,无法在太阳系测到,但在脉冲星双星系统应当可以测到, 对于脉冲星双星系统,其轨道收缩量每年几个厘米,就可以由射电望远镜测量出来。脉冲星双星系统PSR1913+16由两颗中子星组成,其中一颗发射脉冲信号,它们轨道周期为7.75小时,通过对其周期变率的测定后得到与爱因斯坦理论预言符合的结果。 此消息一经传出,世界为之轰动,在地面上不易验证的爱因斯坦理论,在遥远的脉冲星系统找到了证据。这好比牛顿关于苹果下落的猜想,印证月球围绕地球转动的理论。为此,泰勒和赫尔斯获得了1993年度诺贝尔物理学奖。一种天体的发现能获2次诺贝尔奖,绝无仅有。这次诺贝尔奖委员会已有前车之鉴,赫尔斯发现脉冲双星时也是学生,但这次与导师一起获奖。

2004年,不负众望,天文学家又取得了突破性进展。澳大利亚帕克斯(Parkes) 64米口径天文望远镜发现了一对互相绕行的脉冲星,命名为PSRJ0737-3039A/B,距离地球2000光年。它们轨道周期仅为2.4小时,相距100万公里的这两颗中子星都发射电磁波,这是已知的唯一一对相互环绕的可观测射电脉冲双星系统。与先前发现的脉冲双星相比,PSRJ0737-3039A/B轨道周期更短,引力辐射更强,是一个优越的引力波实验室。美国GBT望远镜(Green Bank Telescope,100米口径)对双脉冲星长达三年的精确测量,得到双星的间距以每天7毫米的速度变小,这与广义相对论引力波预言的结论一致, 其测量误差在0.05%以内,这是目前为止对广义相对论最精确的检验。

脉冲星发现与诺贝尔奖委员会的失误:

戏剧性的科学发现只是故事的开头, 接之而来的是脉冲星发现者的荣誉归属争议。举世成就与诺贝尔奖委员会的是非恩怨竟然成为世界舆论焦点、人们关注的话题。

1974年,贝尔的导师休伊什因发现脉冲星独自享受了诺贝尔物理学奖,这次授奖引起了国际天文学界和英国媒体的轩然大波。巨大的荣誉分歧浮出水面,这被认为是诺贝尔奖历史上最不公平的结果之一,以至于媒体将其称为“名副其实的诺贝尔奖”, 其英文表述耐人寻味"The No Bell - Nobel Prize",假如中文翻译:“没有贝尔的诺贝尔奖”。

探索浩瀚宇宙的脚步:脉冲星发现50年纪念

显而易见,诺贝尔奖引发舆论一片哗然,脉冲星发现的皇冠只戴在导师休伊什的头上,完全忽略了学生贝尔的贡献。英国著名天文学家霍伊尔爵士(Sir Fred Hoyle)在伦敦《泰晤士报》发表谈话,他认为,贝尔应同休伊什共享诺贝尔奖,并对诺贝尔奖委员会授奖前的调查工作欠周密提出了批评,甚至认为是诺贝尔奖历史上一桩丑闻、性别歧视案。霍伊尔还认为,贝尔的发现是非常重要的,但她的老板竟把这一发现的原始资料扣压了半年,从客观上讲就是一种盗窃。更有学者调侃,“贝尔小姐做出的卓越发现,让他的导师休伊什赢得了诺贝尔物理奖”。英国焦德尔班克 (Jodrell Bank ) 射电天文台的天文学家史密斯(F. Smith)指出,脉冲星是贝尔发现的,但休伊什在这一发现过程中发挥了重要作用。著名天文学家曼彻斯特(R. Manchester)和泰勒(J. Taylor, 1993年诺贝尔奖得主)所著《脉冲星》一书的扉页上写道:“献给乔瑟琳•贝尔,没有她的聪明和执着,我们不能获得脉冲星的喜悦。” 凡此评论,不胜枚举。 关于脉冲星真正发现者的争论和对诺贝尔奖委员会的质疑,也经历了50年的众说纷纭。回首往事,平心而论, 作为导师的休伊什获得了诺贝尔奖,无可厚非,但贝尔失去殊荣,却令人感到惋惜。如果没有贝尔对 “干扰” 信号一丝不苟的追究,他们可能错过脉冲星的发现。

不久前在贝尔访问北京期间,笔者与她谈起脉冲星的发现经历和对诺贝尔奖的看法时。她感慨万分,脉冲星发现后不久,她就被迫离开了剑桥大学。沉默一段时间后,她有了下面的陈述。1960年代,剑桥大学乃至英国存在导师忽视学生科学贡献的倾向,特别是女学生欠缺公正待遇。1993年,两位美国天文学家因发现脉冲星双星而荣获诺贝尔奖时,这次诺贝尔奖委员会格外小心, 特别邀请她参加了颁奖仪式,算是一种补偿吧。离开剑桥后,她和休伊什从来没有再合作,直到1980年代,她们才在一次国际会议上相见,并握手言和;在2007年纪念脉冲星发现40年的国际会议上, 她们一起出席会议,在大会开幕式上,与会者全体起立鼓掌向贝尔致礼。 脉冲发现以来,虽然错失诺贝尔物理学奖,她荣获了十几项世界级科学奖,成为英国的“科学大使”。贝尔仍然被学术界尊称为“脉冲星之母”,50年来她获得诸多奖章和头衔,诸如,曾担任英国皇家物理学会会长、英国皇家天文学会会长,被英国伊丽莎白女王授予“女爵士”头衔,2014年起她担任爱丁堡皇家学会会长。 贝尔女士曾经多次来华访问, 一直关注我国500米口径射电望远镜的建设,并给予科学与技术方面的指导意见。

[责任编辑:quarkqiao]
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