约瑟琳·伯奈尔对宇宙探索的贡献

编译 陆默

约瑟琳·伯奈尔于1967年发现了第一颗脉冲星，一种快速旋转的恒星，她的发现改变了现代天文学

约瑟琳·伯奈尔（Jocelyn Bell Burnell）于1965年左右来到剑桥大学，当时一架新的射电望远镜正在建造。在两年的时间里，她一边攻读天文学博士学位，一边做着在木头电线杆之间接电线的工作，直到将铜线和电缆交织分布在了四英亩半的土地上。

“我出生于航海世家，对于柱子、桅杆和滑轮这类东西并不陌生。”伯奈尔对记者说道。到了1967年7月的时候，望远镜已经架设完毕，它看起来就像一个巨大的金属网。几周后，望远镜天线捕捉到了一些不同寻常的东西。伯奈尔每周在银河系发出的无线电波达到峰值时进行大量的数据分析，光计算分析的纸就用了约700英尺长，终于发现了从一片天空中传来的微弱信号，然后又消失。到11月份时，她又发现了这个信号。通过调整记录装置的速度，她确定这个信号以1.34秒的频率发出，这是在宇宙静态背景上的一个有规律的节拍。伯奈尔觉得很困惑，问她的指导老师安东尼·休伊什（Antony Hewish）这是地球上的无线电信号，还是来自另一个世界的信号。最后他们给它起了个奇怪的绰号L.G.M.-1，意思是“小绿人1号”。

圣诞节前一个寒冷的早晨，伯奈尔不得不向记录设备上呵气，让机器达到可启动工作的温度，她又在天空的另一部分发现了第2次信号，这次信号以1.25秒的频率抵达地球。圣诞节后不久，她又发现了另外两个信号。这4个有节奏的信号来自宇宙的不同部分，排除了它们都来自L.G.M.的可能性。第一个发现的信号重新命名为CP 1919 ，CP是剑桥脉冲星（Cambridge pulsar）的首字母缩写，1919代表了这颗脉冲星几时几分的天体定位。宇宙学的新时代从此开启。

脉冲星与黑洞密切相关，它们都是一颗巨大恒星耗尽燃料时诞生的。它的外层在超新星爆发时形成脉冲星，其核心部分坍缩。恒星的初始质量决定了接下来会发生什么。如果核心质量超过地球太阳的3倍，它就会变成黑洞；如果达不到这个质量，坍塌造成的压力和密度会将电子和质子熔合成中子，产生中子星。脉冲星是死亡恒星的一个子集，它们以巨大的速度旋转并以强大的磁场加速附近的电子，将它们聚合在一起形成电磁辐射束。随着脉冲星的旋转，遥远的观察者可以看到这些电磁辐射束（可能是无线电波、伽马射线、X射线或可见光）发出的有规律的信号。脉冲星常被称为“宇宙灯塔”。

19世纪30年代，天文学家就预言了中子星和黑洞的存在。在CP1919的发现公布之后不久，更多脉冲星被发现，并被确定为中子星的一种类型，是旋转的中子星，更多脉冲星的存在表明一定伴随有黑洞的存在，几年后黑洞的存在首次被确认。脉冲星的发现意味着“自从爱因斯坦提出广义相对论以来，之前许多看似疯狂的理论也许都是真的。”佛罗里达大学的天文学教授斯蒂芬·艾肯伯里（Stephen Eikenberry）说道，“打个比方，有人要我们相信仙女和精灵的存在，如果你遇到一个精灵，那么仙女的存在似乎也不是一个疯狂的想法。”

由于其巨大的密度和精确有规律的旋转，脉冲星为太空探索和宇宙学理论提供了新的途径。“这50年来的发现令人兴奋，与脉冲星有关的意想不到的新发现源源不断。”目前在牛津大学任物理学客座教授的伯奈尔说道。即使在1967年8

月到11月期间一度失踪的第一颗被发现的脉冲星也提供了有用的信息。原来，由于星际物质的干扰，往往导致太空中传播的无线电波时断时续。“当时，我们并不知道介于恒星之间的天体的存在，更不用说还是如此剧烈动荡的天体。”伯奈尔说道。中子星和黑洞的发现“是继发现脉冲星之后的更多发现之一，让我们对恒星之间的太空物质有了更多的了解。”例如，对脉冲星和它周围空间的观察首次确认了系外行星的存在，太空中有围绕各自“太阳”（恒星）旋转的行星，这一发现极大地激发了人们寻找外星生命的兴趣。脉冲星也有助于寻找被称为时空物质涟漪的引力波。2017年秋天，天文学家观测到了两个中子星并合的盛况。

世界各地的天文观测将带来对脉冲星的更多了解。“它们是一些超乎我们想象的极端天体，”伯奈尔说，“因为其极端特性，它们能够告诉我们很多关于天文学的极端问题和自然界的极端性。例如，它们超大的极端质量为科学家提供了理解爱因斯坦广义相对论的更好方法。”引力越强，相对论效应越明显，天文学家艾肯伯里说道。

艾肯伯里是希望发现一颗绕黑洞运行脉冲星的众多天文学家中的一员，脉冲星时钟的嘀嗒声可能会受到黑洞质量的束缚而放慢。脉冲星还有可能为开发星际导航系统的可行性提供有用的信息，它们发出的有规律的信号可以作为太空航行中的航标，用来确定航天器的位置。尽管它们给太空探索带来如此多的希望，但我们对于脉冲星本身的了解以及它们所发出脉冲辐射的详细物理学原理还不是很清楚。“我们正在利用脉冲星发出的光探索许多很了不起的东西，”艾肯伯里说，“但我们不知道这些光是如何发生的，也不知道脉冲星是如何发光的。”

伯奈尔在她工作后没有再研究脉冲星，而是进行了其他天体物理学的研究，提倡女性参与科学研究，领导包括爱丁堡皇家学会在内的一些研究机构的工作等。1974年，伯奈尔的前指导老师休伊什因“物理学和天体物理学最重要的发现”获诺贝尔物理学奖，还有一名科学家与休伊什共享此奖项，但那人不是伯奈尔。许多观察家认为这个结果归因于伯奈尔的性别。伯奈尔曾多次指出，诺贝尔奖一般不会颁给研究生，而且诺奖委员会并不知道她是女的。但很多人都熟悉这个故事，还有发现脉冲星的这份遗产所产生的深远影响，人们看到了其中的不公正。纽约大学历史学家马修·斯坦利（Matthew Stanley）说，“这只是女性被区别对待的一个明显例子，她们未能因做出的杰出科学贡献而获得应有的认可。”

伯奈尔在那些寒冷冬天的白天和夜晚所捕获到的信号，最终又回到了发送它们的宇宙。20世纪70年代，美国宇航局发射了4枚太空探测器探索外太阳系，每一个都配备了一张地图，用14颗脉冲星来确定我们的太阳在银河系中相对位置的地图，希望有一天外星人会遇到这些探测器，通过这些地图找到通往地球的路。“这是我们第一次认真考虑人类可以有办法离开太阳系的问题。”负责美国宇航局中子星内部结构探测任务的基思·金德伦（Keith Gendreau）说道，“走出地球进行真正的宇宙探索，在当时形成了一阵兴奋的热潮。”虽然随着中子星的衰老，其转动速度会越来越慢，但在未来很长的一段时间里，这些太空地图对于外星生命来说仍然应该是可以解读的。“这将是一个数学问题，但是一个完全可解的问题。”金德伦说。

最先发现的4颗脉冲星的稳定节奏已成为一个巨大冲击阵的一部分，超过2 000颗以上的其他脉冲星——超高速的“毫秒”脉冲星、慢速脉冲星、独个脉冲星、成对脉冲星——都已纷纷被发现。正如伯奈尔在她发现脉冲星几年之后所写的那样，“这些不可思议的星星继续迷惑着我们，偶尔也给我们带来惊喜。”