專(zhuān)家視野
張承民：脈沖星發(fā)現50年
——探索浩瀚宇宙的腳步
脈沖星發(fā)現的奇特經(jīng)歷是這樣的：1967年的一個(gè)夏日，劍橋大學(xué)射電天文臺正在進(jìn)行星空無(wú)線(xiàn)電信號流量變化研究，即射電閃爍，負責執行望遠鏡觀(guān)測和數據分析的科研人員是一位來(lái)自愛(ài)爾蘭的女博士研究生，名字叫喬瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell）。她夜以繼日地工作，在大量并紛亂的記錄紙帶上仔細摸索射電閃爍信號的特征，這是太陽(yáng)系帶電介質(zhì)干擾星空無(wú)線(xiàn)電傳播的結果，其流量呈現出秒量級的準周期變化。此現象可以類(lèi)比于“天上的星星在眨眼”，這源于地球大氣層擾動(dòng)引發(fā)的光學(xué)波段的閃爍。然而，貝爾偶然察覺(jué)到一個(gè)奇怪而且周期極其規則的“干擾”信號，每隔1.33秒的精準時(shí)間的脈沖信號。這令她十分詫異，難道宇宙的“心電圖”存在“人為故意”的鐘表準時(shí)效應？得知這一令人難以置信的觀(guān)測分析，她的導師安東妮·休伊什(Antony Hewish)曾猜想這可能是外星人——“小綠人”——發(fā)出的摩爾斯電碼，在向地球呼叫。然而，進(jìn)一步查找觀(guān)測數據表明，這個(gè)脈沖信號的頻率極其精確。接下來(lái)，貝爾和同事又發(fā)現不同天區的另外3個(gè)周期各異的脈沖信號源，這排除了外星人信號，因為不可能有三個(gè)“小綠人”在不同方向、同時(shí)向地球發(fā)射不同的脈沖信號。再經(jīng)過(guò)射電望遠鏡的色散測量，貝爾得出脈沖星距離地球大約是幾萬(wàn)光年，這意味著(zhù)脈沖信號源于銀河系起源的天體。經(jīng)過(guò)一番努力，貝爾和休伊什在英國《自然》雜志上發(fā)表了脈沖星發(fā)現的論文，并認為脈沖星就是物理學(xué)家預言的超級致密的中子星。消息很快轟動(dòng)了國際科學(xué)界，這被譽(yù)為20世紀天文學(xué)的四大發(fā)現之一，為天文學(xué)和天體物理研究開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，而且對現代物理學(xué)的驗證產(chǎn)生了深遠影響。
脈沖星為什么是宇宙的燈塔和空間天然實(shí)驗室
50年來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)觀(guān)測到2700多顆各種類(lèi)型的脈沖星，它們是轉動(dòng)的中子星，而最快轉動(dòng)的周期居然達到毫秒量級，1.4毫秒?，F在已知，中子星是大質(zhì)量恒星的演化產(chǎn)物，相當于十幾個(gè)太陽(yáng)的恒星在其核能燃燒耗盡以后，將經(jīng)歷超新星爆發(fā)，其間星體的核心部分塌縮成高度致密的中子星，其質(zhì)量相當于一個(gè)太陽(yáng)，而半徑只有約10千米。形象地比喻，中子星相當于太陽(yáng)系的全部質(zhì)量壓縮到北京市區的范圍。其密度驚人地高，一個(gè)乒乓球大小的中子星物質(zhì)相當于喜馬拉雅山的質(zhì)量！其磁場(chǎng)也是超高，達到萬(wàn)億高斯，是地磁場(chǎng)的萬(wàn)億倍。所以，脈沖星可以作為天然的實(shí)驗室，用來(lái)檢驗極端物理環(huán)境下的物質(zhì)運動(dòng)規律，諸如驗證強引力場(chǎng)的愛(ài)因斯坦廣義相對論效應，包括通過(guò)測量脈沖星雙星系統來(lái)驗證引力波。中子星的高度致密物質(zhì)物態(tài)還是檢驗核物理理論的極佳場(chǎng)所，其強磁場(chǎng)導致的電磁輻射現象也是等離子體物理的研究領(lǐng)域。
脈沖星為什么發(fā)射脈沖信號？研究發(fā)現，電磁輻射來(lái)自于其強磁場(chǎng)的極冠區，當中子星轉動(dòng)時(shí)，磁極冠發(fā)出的電磁信號像海岸上的燈塔一樣，掃過(guò)星空。每當脈沖星輻射掃過(guò)地球，地面的射電望遠鏡就收到一個(gè)信號，因此天文學(xué)家記錄到像“心電圖”一樣的系列脈沖。此外，脈沖星的轉動(dòng)是高度穩定的，其周期變慢一秒大約需要千萬(wàn)年時(shí)間，這與實(shí)驗室制備的氫原子鐘一樣穩定，堪稱(chēng)宇宙最精準的鐘或“宇宙燈塔”?；谶@一性質(zhì)，脈沖星可以作為導航時(shí)間信標參考。不久前我國發(fā)射的脈沖星導航試驗衛星XPNAV-1就是應用案例。50年來(lái)的觀(guān)測表明，脈沖星在射電、紅外、可見(jiàn)光、紫外、X射線(xiàn)和γ射線(xiàn)等多個(gè)電磁波頻段產(chǎn)生輻射，為此天文學(xué)家在地面和太空設置了大量的探測設備，用于監測和研究其運動(dòng)和演化性質(zhì)，例如：在我國貴州已經(jīng)落成的500米口徑射電望遠鏡（FAST）。這一方面提升人類(lèi)認識宇宙的能力，另一方面，通過(guò)這些高科技設施和裝置的建設，提升我國工業(yè)體系的現代化能力。
脈沖星發(fā)現與諾貝爾獎委員會(huì )的失誤
戲劇性的科學(xué)發(fā)現只是故事的開(kāi)頭，隨之而來(lái)的是脈沖星發(fā)現者的榮譽(yù)歸屬爭議。舉世成就與諾貝爾獎委員會(huì )的是非恩怨竟然成為世界輿論焦點(diǎn)話(huà)題。1974年，休伊什教授因發(fā)現脈沖星獨自享受了諾貝爾物理學(xué)獎，此事件引起了科學(xué)界和英國媒體的軒然大波，這被認為是諾貝爾獎歷史上最不公平的結果之一，以至于媒體將其調侃為“名副其實(shí)的諾貝爾獎”，其英文表述耐人尋味“The No Bell-No bel Prize”，即“沒(méi)有貝爾的諾貝爾獎”。
脈沖星發(fā)現的皇冠只戴在導師的頭上，這完全忽略了學(xué)生貝爾的貢獻。英國著(zhù)名天文學(xué)家霍伊爾爵士（Sir Fred Hoyle）在倫敦《泰晤士報》發(fā)表談話(huà)，“貝爾應同休伊什共享諾獎，諾獎委員會(huì )授獎前的調查工作欠周密?！被粢翣栠€認為，這是諾獎歷史上一樁丑聞、性別歧視案，貝爾的貢獻非常重要，但她的老板竟把這一發(fā)現的原始資料扣壓了半年，從客觀(guān)上講就是一種盜竊。更有學(xué)者調侃，“貝爾小姐做出的卓越發(fā)現，讓她的導師休伊什贏(yíng)得了諾貝爾物理學(xué)獎?！狈泊嗽u論，不勝枚舉?；厥淄?，平心而論，作為導師的休伊什獲得諾貝爾獎并無(wú)爭議，但貝爾失去殊榮，卻令人感到惋惜。如果沒(méi)有貝爾對“干擾”信號一絲不茍的追究，他們可能錯過(guò)脈沖星的發(fā)現。
不久前貝爾訪(fǎng)問(wèn)北京期間，筆者與她談起脈沖星的發(fā)現經(jīng)歷和對諾貝爾獎的看法時(shí)，她感慨地說(shuō)，在上世紀60年代，英國存在導師忽視學(xué)生科學(xué)貢獻的傾向，特別是針對女學(xué)生欠缺公正待遇。1993年，兩位美國天文學(xué)家因發(fā)現脈沖星雙星并間接驗證引力波而榮獲諾貝爾獎時(shí)，這次諾獎委員會(huì )格外小心，特別邀請她參加了頒獎儀式，算是一種補償吧。發(fā)現脈沖星后，她和休伊什沒(méi)有再合作，直到1983年，他們才在一次國際會(huì )議上相見(jiàn)，并握手言和。在2007年紀念脈沖星發(fā)現40年的國際會(huì )議上，他們一起出席會(huì )議，在大會(huì )開(kāi)幕式上，與會(huì )者全體起立鼓掌向貝爾致敬。雖然錯失諾貝爾物理學(xué)獎，她榮獲了多項世界級科學(xué)獎、諸多獎?wù)潞皖^銜，并被學(xué)術(shù)界尊稱(chēng)為“脈沖星之母”。她至今依然繁忙，擔任各種社會(huì )公職，儼然英國的“科學(xué)大使”。她曾擔任英國皇家物理學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)、英國皇家天文學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)，被英國伊麗莎白女王授予“女爵士”頭銜，2014年起擔任愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì )會(huì )長(cháng)。貝爾女士多次來(lái)華訪(fǎng)問(wèn)，一直關(guān)注我國500米口徑射電望遠鏡的建設，并給予科技指導意見(jiàn)。2012年，她在北京參加國際天文學(xué)大會(huì )期間，受到時(shí)任國家副主席習近平的接見(jiàn)。她為此深感榮幸地說(shuō)，一個(gè)大國領(lǐng)袖親自參加科學(xué)會(huì )議，這不僅是科學(xué)家的榮譽(yù)，也讓世界感受到一個(gè)大國為人類(lèi)科學(xué)事業(yè)竭誠奉獻的態(tài)度和熱情。
（作者系中國科學(xué)院國家天文臺研究員）
