脉冲星的发现者乔瑟琳·贝尔·伯勒尔

2017-03-10巡天

飞碟探索 2017年3期

巡天

走上天文之路

乔瑟琳1943年7月15日生于英国北爱尔兰的贝尔法斯特，父亲菲利普是一名建筑师，母亲阿莉森是一位虔诚的贵格教徒。她后来还有了两个妹妹和一个弟弟。

乔瑟琳的童年是愉快的。她的家在乡村，周围有广袤的农田，也许正是优美的田园生活塑造了她开朗、乐观的性格，也使她能够耐得住寂寞。当然，这时候乔瑟琳对天文没啥兴趣，也完全无知。

转折发生在中学时代。那年，她的父亲承包了北爱尔兰亚尔马天文台的设计建造工程，乔瑟琳因此接触到了一些天文学家。小姑娘肯定非常讨人喜欢，这些天文学家给她讲了天文学中许多神秘的学说和伟大的发现，使她对天文学产生了极大的兴趣。很快，她就把父亲书库里所有有关天文学的书都看完了。她决定成为一名天文学家。

1961年，乔瑟琳高中毕业，报考了苏格兰的格拉斯哥大学，这是英国一所老牌名校，离家不远，而且有天文学专业。但她到校注册的时候改变了主意，进了物理系。按照她的说法，这样既有机会进行天文学研究，找工作又不会太难。1965年，乔瑟琳毕业了，成绩还不错。

乔瑟琳准备继续上学，攻读博士学位。她向曼彻斯特大学的焦德雷尔班克天文中心提出了申请，但没有成功;同时，她还向剑桥大学和澳大利亚一所大学提出了申请。其实乔瑟琳没对剑桥大学抱多大希望，她已经开始准备去澳洲了。

但她居然被剑桥大学录取了。

乔瑟琳终于正式走上了天文学的研究之路。

打造新式望远镜

乔瑟琳来到剑桥大学时，她的导师安东尼·休伊什正在建设一个大型射电望远镜，这是无线电波研究带来的一种新玩意儿，实际上就是一堆接收天线，用来接收来自宇宙天体的无线电信号。大约在30年前，也就是20世纪30年代，人类才由美国无线电工程师第一次捕捉到来自太空的无线电波。

这张照片拍摄于1968年，当时的贝尔25岁。

休伊什当时感兴趣的是利用天体的闪烁来测量类星体的角径。所谓的闪烁是指恒星或者其他天体的光波在进入大气层以后，由于大气扰动而出现强度的快速起伏。角徑则是衡量天体在天球上大小的一个指标。一般来说，角径越大，闪烁就会越小，反之亦然。他申请到了17000英镑的经费，以便对一部已有的射电望远镜进行扩建。乔瑟琳正好碰到了这个机遇，于是，她成了苦力。

休伊什在面积达18200平方米的场地上安装天线。与我们今天看到的那些巨型大锅不同，休伊什的望远镜就像果园一样，是由一根根天线组成的，这里要竖起上千根高2.75米的柱子，用来支撑长达120千米的天线。乔瑟琳的主要任务就是和另外5名学生一起，把这120千米长的天线正确组装上去，连接起来，以便能把它们收集的信号合并，使微弱而不可测的振荡电流增大到可以捕捉和放大。这部射电望远镜可以借助地球的自转扫描星空。工程不小，休伊什看来真是需要不少劳力，这也许是乔瑟琳能够意外被剑桥大学录取的重要原因。当然，我们不能因为这事苛责休伊什，研究生做苦力也是学术界的传统，就像学徒要从打杂开始一样，直到今天也是这样的。

1967年7月，在乔瑟琳当了两年半苦力以后，天线网阵终于顺利连接完毕，可以正式启用。谢天谢地，她还有一点时间，可以完成她的博士学位论文。

奇怪的信号

为了记录星体的闪烁并方便解读，课题组没有使用计算机，而是刻意使用了纸带记录仪。事实证明，这个决定相当正确。乔瑟琳在分析了100多米的记录纸后，已经能够根据数据区分哪些是天体传来的闪烁信号，哪些是电视台、飞行器等的干扰信号。她能干净利落地抛弃那些干扰信号，找到需要的信息。

完成一项科学发现的两大重要因素——材料和特定设备的选择、研究者分析和处理信息的素养，在乔瑟琳这里得到了完美的结合。

新发现，已经只是时间问题。

但是，分析数据确实是一项艰苦而繁重的工作，尤其是有一台在不停吐数据的设备。在之后的两个月里，乔瑟琳尽量追赶记录仪吐出的纸带，但仍然落后一点，到了10月份，就已经积累了300多米没有分析的纸带……真是一项可怕的工作！

难能可贵的是，乔瑟琳依然保持着清醒的头脑和敏锐的洞察力，并且一丝不苟地在进行工作。

实际上，8月6日晚上她就发现了异常。她找到了一组“奇怪的信号”，这组信号既不能归入天体闪烁的信号，也不同于人类制造的干扰信号。这组信号有多长呢？在大约121米的纸带中能占1.2厘米的长度。乔瑟琳的态度之认真由此可见一斑。

之后，她对该信号进行了追踪，发现这组信号每隔大约23小时56分钟被记录一次，出现得非常准时。要知道，这个时间恰好是地球自转一周的时间，也就是说，每当射电望远镜扫描到这个位置的时候就会出现这个特殊的信号。或者说，这段特殊的信号是由某个位置的一个天体发出的！

休伊什在听取了乔瑟琳的汇报后，同意继续观测这个信号。但不幸的是，他们正要更换一台更好的记录仪，所以，必须停止观测一小段时间。然而，当9月乔瑟琳再次运行记录仪时，怎么也找不到那个信号了。

来自星空的“小绿人”

直到11月28日，这个信号终于又出现了。乔瑟琳写道：“记录纸带在笔尖下徐徐移动，我看得出来这个信号由一系列脉冲组成，我还觉得这些脉冲好像是等时间间隔的。当我从观测仪器中把纸带取出来，这些猜测在分析了图形后就立即得到了证实。相邻脉冲的时间间隔是1.33秒。”

她将这个结果报告给了休伊什。休伊什认为这个信号只能是某种人为的信号，也许是个干扰现象。不过第二天晚上，休伊什还是亲临现场，观看了脉冲记录的形成。之后，他确认，确实没有过类似信号的记录，而且应该是来自太空。

乔瑟琳的发现很快引起了小圈子的内部讨论，有人甚至认为这可能是地外文明向地球发出的信号，并打趣地称之为“小绿人”。然而乔瑟琳并不喜欢这样的解读。

圣诞节即将到来了，“小绿人”却一直压在乔瑟琳的心头。在回家度假的前夜，她再次进入实验室进行分析。让人振奋的是，在强射电源仙后座A影响的天区里，她又找到了一个“小绿人”——整整齐齐的一段脉冲，周期是1.27秒。她把结果放在休伊什的桌子上，然后就欢天喜地地去过节了。因为，在她心里，所谓的外星人信号之类的猜测已经完全被否定：怎么可能会有两个遥远的星球恰好都找到了她的探测频率，而且采用同一种方式向她发送信号？

休伊什显然也有点亢奋了，他在假期让射电望远镜保持工作状态，在记录仪里装满了纸，把记录笔灌足了墨水，甚至在圣诞节当天还专程过来检查了仪器。然后，当乔瑟琳假期结束回到天文台时，就有一大堆记录纸等她来分析了……

当然，休伊什也没给她白攒工作。她很快又发现了两组信号，而且第四组比前三组脉冲的频率要短得多，只有大概1/4秒。这是一个让人惊叹的频率，是什么样的恒星能够发出如此高频的脉冲呢？

休伊什觉得，是时候公布这些发现了。

原来是中子星

1968年1月，一篇题为《一个快速脉冲射电源的观察》的文章被寄给了《自然》杂志。论文共有5位作者，作为导师和课题组领军人，休伊什是第一作者，乔瑟琳为第二作者，在当时，这个排位是没有问题的。如果放在今天，一个比较合理的安排是，乔瑟琳是第一作者，休伊什是通信作者。但当时并没有通信作者的说法，休伊什的作者排位并不过分。

2周以后，也就是2月9日，文章发表。如此迅速的发表在《自然》杂志中并不常见，说明了文章的重要性。

他们的发现在天文学界引起了震动，涌现了许多解释这一发现的理论。与媒体爆炒“小绿人”不同，学界将解释指向衰老的恒星。几经论证，大家终于取得了共识，这应该是人们寻觅许久的中子星。

在那个时代，人们已经对恒星的演化过程有了比较可靠的认识。著名物理学家朗道根据横向演化理论指出，一定质量范围内的恒星在演化的后期会发生爆炸，内部剧烈的压缩会使质子和电子被压缩到一起，形成纯中子状态的星球——中子星。中子星的密度极大，每立方厘米可以重达1000万吨。整颗恒星坍缩后还不及地球大小。同时，按照角动量守恒定律，它将获得极大的转速，大约一秒甚至更短时间就能自转一周，而在它的磁轴上会不停发出电波。这就好比一个不停旋转的灯塔，每旋转一周，就会有一束光照过来。这也是记录仪上产生信号脉冲的原因，脉冲的时间间隔，正是它自转的周期。当时，人们对寻找中子星抱有极大的兴趣，很多人试图通过X 射线等寻找中子星，但都失败了。

中子星的发现，终于落到了乔瑟琳和休伊什的头上。

这一年，乔瑟琳博士答辩，当然，顺利过关。