約瑟琳·伯奈爾對宇宙探索的貢獻

編譯 陸默

約瑟琳·伯奈爾于1967年發現了第一顆脈沖星，一種快速旋轉的恒星，她的發現改變了現代天文學

約瑟琳·伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell）于1965年左右來到劍橋大學，當時一架新的射電望遠鏡正在建造。在兩年的時間里，她一邊攻讀天文學博士學位，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。”伯奈爾對記者說道。到了1967年7月的時候，望遠鏡已經架設完畢，它看起來就像一個巨大的金屬網。幾周后，望遠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出的無線電波達到峰值時進行大量的數據分析，光計算分析的紙就用了約700英尺長，終于發現了從一片天空中傳來的微弱信號，然后又消失。到11月份時，她又發現了這個信號。通過調整記錄裝置的速度，她確定這個信號以1.34秒的頻率發出，這是在宇宙靜態背景上的一個有規律的節拍。伯奈爾覺得很困惑，問她的指導老師安東尼·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”。

圣誕節前一個寒冷的早晨，伯奈爾不得不向記錄設備上呵氣，讓機器達到可啟動工作的溫度，她又在天空的另一部分發現了第2次信號，這次信號以1.25秒的頻率抵達地球。圣誕節后不久，她又發現了另外兩個信號。這4個有節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。第一個發現的信號重新命名為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。宇宙學的新時代從此開啟。

脈沖星與黑洞密切相關，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時形成脈沖星，其核心部分坍縮。恒星的初始質量決定了接下來會發生什么。如果核心質量超過地球太陽的3倍，它就會變成黑洞；如果達不到這個質量，坍塌造成的壓力和密度會將電子和質子熔合成中子，產生中子星。脈沖星是死亡恒星的一個子集，它們以巨大的速度旋轉并以強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，遙遠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）發出的有規律的信號。脈沖星常被稱為“宇宙燈塔”。

19世紀30年代，天文學家就預言了中子星和黑洞的存在。在CP1919的發現公布之后不久，更多脈沖星被發現，并被確定為中子星的一種類型，是旋轉的中子星，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。脈沖星的發現意味著“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。”佛羅里達大學的天文學教授斯蒂芬·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。”

由于其巨大的密度和精確有規律的旋轉，脈沖星為太空探索和宇宙學理論提供了新的途徑。“這50年來的發現令人興奮，與脈沖星有關的意想不到的新發現源源不斷。”目前在牛津大學任物理學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現的脈沖星也提供了有用的信息。原來，由于星際物質的干擾，往往導致太空中傳播的無線電波時斷時續。“當時，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。”伯奈爾說道。中子星和黑洞的發現“是繼發現脈沖星之后的更多發現之一，讓我們對恒星之間的太空物質有了更多的了解。”例如，對脈沖星和它周圍空間的觀察首次確認了系外行星的存在，太空中有圍繞各自“太陽”（恒星）旋轉的行星，這一發現極大地激發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漣漪的引力波。2017年秋天，天文學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。“它們是一些超乎我們想象的極端天體，”伯奈爾說，“因為其極端特性，它們能夠告訴我們很多關于天文學的極端問題和自然界的極端性。例如，它們超大的極端質量為科學家提供了理解愛因斯坦廣義相對論的更好方法。”引力越強，相對論效應越明顯，天文學家艾肯伯里說道。

艾肯伯里是希望發現一顆繞黑洞運行脈沖星的眾多天文學家中的一員，脈沖星時鐘的嘀嗒聲可能會受到黑洞質量的束縛而放慢。脈沖星還有可能為開發星際導航系統的可行性提供有用的信息，它們發出的有規律的信號可以作為太空航行中的航標，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出脈沖輻射的詳細物理學原理還不是很清楚。“我們正在利用脈沖星發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生的，也不知道脈沖星是如何發光的。”

伯奈爾在她工作后沒有再研究脈沖星，而是進行了其他天體物理學的研究，提倡女性參與科學研究，領導包括愛丁堡皇家學會在內的一些研究機構的工作等。1974年，伯奈爾的前指導老師休伊什因“物理學和天體物理學最重要的發現”獲諾貝爾物理學獎，還有一名科學家與休伊什共享此獎項，但那人不是伯奈爾。許多觀察家認為這個結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，還有發現脈沖星的這份遺產所產生的深遠影響，人們看到了其中的不公正。紐約大學歷史學家馬修·斯坦利（Matthew Stanley）說，“這只是女性被區別對待的一個明顯例子，她們未能因做出的杰出科學貢獻而獲得應有的認可。”

伯奈爾在那些寒冷冬天的白天和夜晚所捕獲到的信號，最終又回到了發送它們的宇宙。20世紀70年代，美國宇航局發射了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。“這是我們第一次認真考慮人類可以有辦法離開太陽系的問題。”負責美國宇航局中子星內部結構探測任務的基思·金德倫（Keith Gendreau）說道，“走出地球進行真正的宇宙探索，在當時形成了一陣興奮的熱潮。”雖然隨著中子星的衰老，其轉動速度會越來越慢，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該是可以解讀的。“這將是一個數學問題，但是一個完全可解的問題。”金德倫說。

最先發現的4顆脈沖星的穩定節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、獨個脈沖星、成對脈沖星——都已紛紛被發現。正如伯奈爾在她發現脈沖星幾年之后所寫的那樣，“這些不可思議的星星繼續迷惑著我們，偶爾也給我們帶來驚喜。”