脈沖星及引力波的發(fā)現(xiàn)

脈沖星是由英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的休伊什領(lǐng)導(dǎo)的研究小組的研究生貝爾首先發(fā)現(xiàn)的，她在夜間使用射電望遠鏡觀測時，記錄到了狐貍座里有一組很強的脈沖信號起伏。它雖然時強時弱，但每隔23小時56分準(zhǔn)時出現(xiàn)，因此可以確認來自太空。休伊什等人一度設(shè)想這個很有規(guī)則的脈沖信號可能是來自地外文明發(fā)出的信號，于是戲稱為“小綠人”。當(dāng)時發(fā)現(xiàn)了好幾個這樣極其規(guī)律的脈沖信號源。經(jīng)過一年的研究，他們終于確認了這種射電源的是一種奇異的天體：高速自轉(zhuǎn)的中子星。

這個結(jié)論立即引起了天文學(xué)和物理學(xué)界的轟動，因為雖然早在1930年代，隨著相對論和粒子物理學(xué)的發(fā)展，天文學(xué)家巴德和茨維基就提出可能存在極其致密的中子星，它的密度可能達到每立方厘米1億噸，但是一直沒有得到觀測證實，而且這樣奇異的天體是否存在人們也不敢相信。直到脈沖星被發(fā)現(xiàn)后，經(jīng)過計算，它的脈沖強度和頻率只有像中子星那樣體積小、密度大、質(zhì)量大的星體才能達到。這樣，中子星才真正由假說成為事實。

脈沖星的產(chǎn)生是恒星演化末期的一種殘骸。這類恒星坍縮之后電子被壓入原子核，形成中子，這時候恒星依靠中子的簡并壓與引力保持平衡，這就是中子星。典型中子星的半徑只有幾公里到十幾公里，質(zhì)量卻在1-2倍太陽質(zhì)量之間。由于自轉(zhuǎn)角動量守恒，因此坍縮后半徑極小的中子星自轉(zhuǎn)速度極高。帶電粒子會在極強中子星磁場中運動，形成了同步輻射，產(chǎn)生極強的射電波束。因此脈沖星又被譽為宇宙燈塔。由于脈沖具有很強的規(guī)律性，在未來跨越星際的宇宙航行中，它將成為航天器的定位標(biāo)志，成為名副其實的“燈塔”。

休伊什因為發(fā)現(xiàn)脈沖星和發(fā)展綜合孔徑技術(shù)的賴爾一起獲得了1974年的諾貝爾物理學(xué)獎。就在這一年的年底，美國普林斯頓大學(xué)的拉賽爾· 赫爾斯和約瑟夫·泰勒發(fā)現(xiàn)了射電脈沖雙星PSR 1913+16，即兩顆脈沖星組成的雙星系統(tǒng)。它們之間的距離與太陽半徑差不多。經(jīng)過對雙星系統(tǒng)的軌道參數(shù)以及各種相對論效應(yīng)十年觀測之后，他們發(fā)現(xiàn)雙星繞轉(zhuǎn)周期的變化速度與廣義相對論預(yù)言的引力波輻射導(dǎo)致的能量損失完全一致。這是引力波存在的第一個間接定量證據(jù)， 是對愛因斯坦的廣義相對論的一項重要驗證，因而獲得了1993年的諾貝爾物理學(xué)獎。

這次獲獎又極大地促進了對引力波的直接尋找，因而才有了2016年初引力波的直接發(fā)現(xiàn)。

從射電望遠鏡誕生至今，人類共發(fā)現(xiàn)了約2500顆脈沖星。如果FAST望遠鏡的工作時間全部用于觀測脈沖星，它一年時間內(nèi)就有望將這個數(shù)量翻倍。FAST還有可能會發(fā)現(xiàn)一些前所未見的脈沖星現(xiàn)象，比如說脈沖星和黑洞組成的奇特雙星系統(tǒng)，這些研究對于致密星演化及其相對論效應(yīng)會產(chǎn)生重要影響。

確認宇宙大爆炸

愛因斯坦用他的廣義相對論方程計算最大的研究對象“宇宙”時，他驚訝地發(fā)現(xiàn)，方程竟然沒有穩(wěn)定解，因此在1917年發(fā)表文章時，他引入了一個“宇宙學(xué)常數(shù)”來平衡引力，讓方程計算出的宇宙“穩(wěn)定”下來。

但是過了12年，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)自己犯了此生“最大的一個錯誤”，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都在離我們遠去——宇宙恰恰不是穩(wěn)定的，它正在膨脹！不過，雖然有些天文學(xué)家們接受了哈勃這個偉大的、顛覆性的發(fā)現(xiàn)，卻沒有多少人真正把它當(dāng)回事兒，也不知道應(yīng)該做些什么。

在1948年前后，即使物理學(xué)伽莫夫量子物理學(xué)討論早期宇宙演化的時候，在科學(xué)界也沒有得到響應(yīng)。伽莫夫和他的學(xué)生認識到，歷經(jīng)幾十上百億年的宇宙演化之后，早期宇宙的輻射能量（分布符合黑體輻射），溫度應(yīng)該冷卻到微弱的絕對零度附近，這是第一次對宇宙微波背景輻射的科學(xué)預(yù)言。

直到1964年，蘇聯(lián)的澤爾多維奇、英國的霍伊爾和泰勒、美國的皮伯爾斯等人的研究，再次發(fā)現(xiàn)宇宙應(yīng)當(dāng)殘留有溫度為幾開（開爾文，絕對溫度單位）的背景輻射，并且在厘米波段上應(yīng)該是可以觀測到的。正當(dāng)天文學(xué)家們紛紛開始著手研制低噪聲天線以尋找這種殘存的黑體輻射時，美國貝爾實驗室的兩位科學(xué)家——物理學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和無線電工程師羅伯特·威爾遜卻在無意間率先發(fā)現(xiàn)了這個背景輻射。

彭齊亞斯和威爾遜的目的與央斯基當(dāng)年的工作有些類似，是為了改進衛(wèi)星通信，為此建立了高靈敏度的號角式天線系統(tǒng)。他們將天線對準(zhǔn)天空方向進行測量，發(fā)現(xiàn)在波長為7.35厘米處一個各向同性的信號，與其他干擾源不同，這個信號的奇怪之處是它每天每時的強度都是相同的，不隨季節(jié)變化而變化，肯定與地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)無關(guān)。他們懷疑這個信號來源于接受天線系統(tǒng)本身（我們周圍的任何物體都存在微弱的射電輻射），然而清理了天線上的鴿子窩和鳥糞之后，噪聲仍然存在。這個問題困擾了他們一年多的時間。

在離貝爾實驗室不遠的普林斯頓大學(xué)里，羅伯特·迪克和皮伯爾斯等科學(xué)家組成的研究小組聽到了彭齊亞斯和威爾遜的工作情況，意識到這是一個重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)被他們無意中發(fā)現(xiàn)了。1965年，兩個研究小組聯(lián)合《天體物理學(xué)報》發(fā)表了文章，貝爾實驗室的文章是《在4080兆赫上額外天線溫度的測量》，普林斯頓大學(xué)的文章標(biāo)題是《宇宙黑體輻射》為標(biāo)題發(fā)表了一篇論文，對這個彭齊亞斯他們的發(fā)現(xiàn)給出了正確的解釋，這個額外的輻射就是宇宙微波背景輻射（微波是射電波的一種）。

盡管彭齊亞斯和威爾遜發(fā)表的論文只有短短600字，但卻震撼了整個天體物理學(xué)界和理論物理學(xué)界，因為微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸理論提供了強有力的觀測證據(jù)，從而支持了哈勃在1929年發(fā)現(xiàn)的宇宙膨脹。彭齊亞斯和威爾遜也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。

對宇宙微波背景輻射的研究一直持續(xù)到今天。隨著越來越精密的測量，天文學(xué)家從這些射電信號中，獲得了關(guān)于宇宙早期演化的信息，它們解釋宇宙是如何從早期近似絕對均勻的程度逐步演化到今天具有豐富團塊結(jié)構(gòu)的，從而揭示了星系、恒星甚至我們地球的根本起源。