黑洞“现形”前，百年天文史上发生过哪些大事？

王国燕 桂思奇

2019年，汇集数百名顶尖科学家、官员、天文产业代表等在布鲁塞尔举行盛大庆典。主题为“在同片天空下”的天文学百年大会，在全球范围内相继开展为期一整年的天文学科普与庆祝活动，从而让公众了解天文学在过去100 年以来的重大进展与突破。

就在过去这短短的100年里，天文学的突破比以往几千年都要多得多，而且更有趣，也更具影响力。脉冲星、引力波、宇宙大爆炸、类星体、双中子星合并……这些频上热点的天文学大事件，你都了解多少呢？

脉冲星

当你看到科幻片里宇航员操纵飞船的画面时，是否有过这样的疑问：在浩瀚无垠的太空中驾驶宇宙飞船，要如何分清东西南北呢？

其实，太空也有它的“路标”，那就是宇宙“灯塔”——脉冲星！

脉冲星是在1967年由英国剑桥大学的天体物理学家、诺贝尔物理学奖得主安东尼·修伊什（Anthony Hewish）首次发现的。

修伊什的学生贝尔女士（Jocelyn Bell），在此次发现中承担了重要的观测和分析数据工作。一开始发现脉冲星发射出的电磁波时，她还以为这是外星人向我们发射出的信号，因此，她发现的第1颗脉冲星还被戏称为“小绿人1号”。

那么，什么是脉冲星？它为什么能充当宇宙“灯塔”？

脉冲星其实就是高速旋转的中子星，中子星由恒星演变而来：经过“超新星爆炸”之后，就只剩下了一个致密的“核”，其质量超过太阳质量，而直径仅有几十千米。它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒1000多圈。

在旋转过程中，由于其超强的磁场和极端的物理条件，在中子星的两极会产生准直性的电磁辐射（包括射电波、可见光、X射线或伽玛射线）。随着中子星的旋转，这种辐射就像灯塔旋转的光束那样周期性地进入和离开我们的视线。

这种强烈的规律赋予了脉冲星最精确“宇宙时钟”的特质，它规则的信号甚至能精确到千万亿分之一！

脉冲星如此稳定的脉冲信号给人类提供了巨大的科学研究价值，一方面可以作为计时的依据；另一方面，将来在进行宇宙空间探索的时候，人们可以利用脉冲星进行星际导航，帮助人类走出太阳系，向宇宙深处探索。

50多年过去了，科学家从没有停止对脉冲星的探索。现在，已知的脉冲星超过了2 000颗。

引力波

2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）合作组宣布探测到广义相对论预言已久的引力波，引力波的探测成为了天文学界的热门话题。

目前，人们已经探测到来自双黑洞合并和双中子星合并产生的引力波。在未来也将会有越来越多的引力波得到确认。

那么，引力波是如何产生的呢？

按照爱因斯坦的广义相对论，任何有质量的物体都会导致时空弯曲（表现为引力）。当质量分布发生一定变化时（比如2颗中子星相互绕转时），由此引发的时空扰动就会以光速传播出去，就像水池中的涟漪。

这里说“一定变化”，是因为并不是所有的变化都会有引力波，比如物质沿着一个方向匀速前进就不会产生引力波。在物理学上，一定要使得物质分布的四极矩发生变化才可以产生引力波。

引力波在宇宙中普遍存在。它可以提供电磁辐射不能携带的信息，探测到无法用电磁辐射或不具有电磁辐射的天体，比如LIGO之前探测到的黑洞-黑洞合并的引力波事件，就没有电磁信号，为我们描绘出完全不同的宇宙图像。

引力波在传播过程中，基本上不被吸收、不被散射、不被屏蔽，它可以将观测领域扩大到被宇宙尘埃遮蔽，或被其他物质屏蔽的宇宙区域，揭示宇宙真面目。

它可以帮助我们了解宇宙空间中很多引人注目的天文事件，如超新星爆发、星体碰撞、双星并合的信息。也能给我们提供宇宙最早状态的信息。可以说，有了引力波探测之后，人们就多了一双认识宇宙的“眼睛”。

宇宙微波背景辐射

关于宇宙的起源，一直有两种学说分庭抗礼——大爆炸理论和稳恒态理论。

大爆炸理论认为，宇宙经历了初始高温高密度状态快速膨胀（类似巨大的爆炸）的历程。

这一快速膨胀过程中的微小幅度的物质-能量分布的起伏造成了现有的各大星系，而各大星系与整个宇宙总是处于不断变化和发展的过程之中。

然而，宇宙恒稳态理论认为，宇宙的过去、现在和将来基本上处于同一种状态，从结构上说是恒定的，从时间上说是无始无终的。

但当“宇宙微波背景”被发现后，稳恒态理论直接被“K.O”，顿时失去了它的立场。

20世纪40年代末，大爆炸宇宙论的鼻祖之一——乔治，伽莫夫（George Gamow）认为，现在的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，由于宇宙的膨胀，辐射的温度已经被冷却到6K。正如一个火炉虽然不再有火了，但还可以冒一点热气，如果可以检测到那一点“热气”，即“宇宙微波背景”，就可以給大爆炸理论提供强有力的支持！

1964年，美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔森（Robert Wilson）试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时，他们接收到了无法解释的一些噪音。当他们排除了一切可能性（包括天线中的鸽子粪便）后，最终发现这是一些理论学家热切期盼的“宇宙微波背景辐射”——宇宙大爆炸遗留下的热辐射！

发现了“宇宙微波背景辐射”后，通过不断发展的望远镜技术，天文学家能够以更高的精确度测量它，并可以从中精确地测量出各种宇宙学参数。

除了这几个重大突破以外，还有类星体、暗物质、星际有机分子和中微子等重要的研究发现……100多年的天文学发展给人类打开了一扇通往遥远太空的大门，让人类的发展看到了宇宙般无限的可能，并彻底地改变了我们每一个人的生活。