約瑟琳·伯奈爾對宇宙探索的貢獻(xiàn)

編譯 陸默

約瑟琳·伯奈爾于1967年發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖星，一種快速旋轉(zhuǎn)的恒星，她的發(fā)現(xiàn)改變了現(xiàn)代天文學(xué)

約瑟琳·伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell）于1965年左右來到劍橋大學(xué)，當(dāng)時一架新的射電望遠(yuǎn)鏡正在建造。在兩年的時間里，她一邊攻讀天文學(xué)博士學(xué)位，一邊做著在木頭電線桿之間接電線的工作，直到將銅線和電纜交織分布在了四英畝半的土地上。

“我出生于航海世家，對于柱子、桅桿和滑輪這類東西并不陌生?！辈螤枌τ浾哒f道。到了1967年7月的時候，望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)架設(shè)完畢，它看起來就像一個巨大的金屬網(wǎng)。幾周后，望遠(yuǎn)鏡天線捕捉到了一些不同尋常的東西。伯奈爾每周在銀河系發(fā)出的無線電波達(dá)到峰值時進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，光計算分析的紙就用了約700英尺長，終于發(fā)現(xiàn)了從一片天空中傳來的微弱信號，然后又消失。到11月份時，她又發(fā)現(xiàn)了這個信號。通過調(diào)整記錄裝置的速度，她確定這個信號以1.34秒的頻率發(fā)出，這是在宇宙靜態(tài)背景上的一個有規(guī)律的節(jié)拍。伯奈爾覺得很困惑，問她的指導(dǎo)老師安東尼·休伊什（Antony Hewish）這是地球上的無線電信號，還是來自另一個世界的信號。最后他們給它起了個奇怪的綽號L.G.M.-1，意思是“小綠人1號”。

圣誕節(jié)前一個寒冷的早晨，伯奈爾不得不向記錄設(shè)備上呵氣，讓機(jī)器達(dá)到可啟動工作的溫度，她又在天空的另一部分發(fā)現(xiàn)了第2次信號，這次信號以1.25秒的頻率抵達(dá)地球。圣誕節(jié)后不久，她又發(fā)現(xiàn)了另外兩個信號。這4個有節(jié)奏的信號來自宇宙的不同部分，排除了它們都來自L.G.M.的可能性。第一個發(fā)現(xiàn)的信號重新命名為CP 1919 ，CP是劍橋脈沖星（Cambridge pulsar）的首字母縮寫，1919代表了這顆脈沖星幾時幾分的天體定位。宇宙學(xué)的新時代從此開啟。

脈沖星與黑洞密切相關(guān)，它們都是一顆巨大恒星耗盡燃料時誕生的。它的外層在超新星爆發(fā)時形成脈沖星，其核心部分坍縮。恒星的初始質(zhì)量決定了接下來會發(fā)生什么。如果核心質(zhì)量超過地球太陽的3倍，它就會變成黑洞；如果達(dá)不到這個質(zhì)量，坍塌造成的壓力和密度會將電子和質(zhì)子熔合成中子，產(chǎn)生中子星。脈沖星是死亡恒星的一個子集，它們以巨大的速度旋轉(zhuǎn)并以強(qiáng)大的磁場加速附近的電子，將它們聚合在一起形成電磁輻射束。隨著脈沖星的旋轉(zhuǎn)，遙遠(yuǎn)的觀察者可以看到這些電磁輻射束（可能是無線電波、伽馬射線、X射線或可見光）發(fā)出的有規(guī)律的信號。脈沖星常被稱為“宇宙燈塔”。

19世紀(jì)30年代，天文學(xué)家就預(yù)言了中子星和黑洞的存在。在CP1919的發(fā)現(xiàn)公布之后不久，更多脈沖星被發(fā)現(xiàn)，并被確定為中子星的一種類型，是旋轉(zhuǎn)的中子星，更多脈沖星的存在表明一定伴隨有黑洞的存在，幾年后黑洞的存在首次被確認(rèn)。脈沖星的發(fā)現(xiàn)意味著“自從愛因斯坦提出廣義相對論以來，之前許多看似瘋狂的理論也許都是真的?！狈鹆_里達(dá)大學(xué)的天文學(xué)教授斯蒂芬·艾肯伯里（Stephen Eikenberry）說道，“打個比方，有人要我們相信仙女和精靈的存在，如果你遇到一個精靈，那么仙女的存在似乎也不是一個瘋狂的想法?！?/p>

由于其巨大的密度和精確有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)，脈沖星為太空探索和宇宙學(xué)理論提供了新的途徑?！斑@50年來的發(fā)現(xiàn)令人興奮，與脈沖星有關(guān)的意想不到的新發(fā)現(xiàn)源源不斷?！蹦壳霸谂＝虼髮W(xué)任物理學(xué)客座教授的伯奈爾說道。即使在1967年8

月到11月期間一度失蹤的第一顆被發(fā)現(xiàn)的脈沖星也提供了有用的信息。原來，由于星際物質(zhì)的干擾，往往導(dǎo)致太空中傳播的無線電波時斷時續(xù)。“當(dāng)時，我們并不知道介于恒星之間的天體的存在，更不用說還是如此劇烈動蕩的天體?！辈螤栒f道。中子星和黑洞的發(fā)現(xiàn)“是繼發(fā)現(xiàn)脈沖星之后的更多發(fā)現(xiàn)之一，讓我們對恒星之間的太空物質(zhì)有了更多的了解?！崩?，對脈沖星和它周圍空間的觀察首次確認(rèn)了系外行星的存在，太空中有圍繞各自“太陽”（恒星）旋轉(zhuǎn)的行星，這一發(fā)現(xiàn)極大地激發(fā)了人們尋找外星生命的興趣。脈沖星也有助于尋找被稱為時空物質(zhì)漣漪的引力波。2017年秋天，天文學(xué)家觀測到了兩個中子星并合的盛況。

世界各地的天文觀測將帶來對脈沖星的更多了解?！八鼈兪且恍┏跷覀兿胂蟮臉O端天體，”伯奈爾說，“因?yàn)槠錁O端特性，它們能夠告訴我們很多關(guān)于天文學(xué)的極端問題和自然界的極端性。例如，它們超大的極端質(zhì)量為科學(xué)家提供了理解愛因斯坦廣義相對論的更好方法?！币υ綇?qiáng)，相對論效應(yīng)越明顯，天文學(xué)家艾肯伯里說道。

艾肯伯里是希望發(fā)現(xiàn)一顆繞黑洞運(yùn)行脈沖星的眾多天文學(xué)家中的一員，脈沖星時鐘的嘀嗒聲可能會受到黑洞質(zhì)量的束縛而放慢。脈沖星還有可能為開發(fā)星際導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性提供有用的信息，它們發(fā)出的有規(guī)律的信號可以作為太空航行中的航標(biāo)，用來確定航天器的位置。盡管它們給太空探索帶來如此多的希望，但我們對于脈沖星本身的了解以及它們所發(fā)出脈沖輻射的詳細(xì)物理學(xué)原理還不是很清楚?！拔覀冋诶妹}沖星發(fā)出的光探索許多很了不起的東西，”艾肯伯里說，“但我們不知道這些光是如何發(fā)生的，也不知道脈沖星是如何發(fā)光的?！?/p>

伯奈爾在她工作后沒有再研究脈沖星，而是進(jìn)行了其他天體物理學(xué)的研究，提倡女性參與科學(xué)研究，領(lǐng)導(dǎo)包括愛丁堡皇家學(xué)會在內(nèi)的一些研究機(jī)構(gòu)的工作等。1974年，伯奈爾的前指導(dǎo)老師休伊什因“物理學(xué)和天體物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)”獲諾貝爾物理學(xué)獎，還有一名科學(xué)家與休伊什共享此獎項(xiàng)，但那人不是伯奈爾。許多觀察家認(rèn)為這個結(jié)果歸因于伯奈爾的性別。伯奈爾曾多次指出，諾貝爾獎一般不會頒給研究生，而且諾獎委員會并不知道她是女的。但很多人都熟悉這個故事，還有發(fā)現(xiàn)脈沖星的這份遺產(chǎn)所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，人們看到了其中的不公正。紐約大學(xué)歷史學(xué)家馬修·斯坦利（Matthew Stanley）說，“這只是女性被區(qū)別對待的一個明顯例子，她們未能因做出的杰出科學(xué)貢獻(xiàn)而獲得應(yīng)有的認(rèn)可?！?/p>

伯奈爾在那些寒冷冬天的白天和夜晚所捕獲到的信號，最終又回到了發(fā)送它們的宇宙。20世紀(jì)70年代，美國宇航局發(fā)射了4枚太空探測器探索外太陽系，每一個都配備了一張地圖，用14顆脈沖星來確定我們的太陽在銀河系中相對位置的地圖，希望有一天外星人會遇到這些探測器，通過這些地圖找到通往地球的路?！斑@是我們第一次認(rèn)真考慮人類可以有辦法離開太陽系的問題?！必?fù)責(zé)美國宇航局中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測任務(wù)的基思·金德倫（Keith Gendreau）說道，“走出地球進(jìn)行真正的宇宙探索，在當(dāng)時形成了一陣興奮的熱潮?！彪m然隨著中子星的衰老，其轉(zhuǎn)動速度會越來越慢，但在未來很長的一段時間里，這些太空地圖對于外星生命來說仍然應(yīng)該是可以解讀的。“這將是一個數(shù)學(xué)問題，但是一個完全可解的問題?！苯鸬聜愓f。

最先發(fā)現(xiàn)的4顆脈沖星的穩(wěn)定節(jié)奏已成為一個巨大沖擊陣的一部分，超過2 000顆以上的其他脈沖星——超高速的“毫秒”脈沖星、慢速脈沖星、獨(dú)個脈沖星、成對脈沖星——都已紛紛被發(fā)現(xiàn)。正如伯奈爾在她發(fā)現(xiàn)脈沖星幾年之后所寫的那樣，“這些不可思議的星星繼續(xù)迷惑著我們，偶爾也給我們帶來驚喜。”