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脉冲星的发现者乔瑟琳·贝尔·伯勒尔

脉冲星的发现者乔瑟琳·贝尔·伯勒尔

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。

貝尔与她的终身成就奖

欠一个诺贝尔奖

在天文学界点燃了焰火之后,乔瑟琳结婚了。1968年,乔瑟琳和马丁·伯勒尔结合,也因此获得了她名字最后的那个姓氏,成了乔瑟琳·贝尔·伯勒尔,他们的婚姻一直维系到1993年。

丈夫是一个政府职员,乔瑟琳心甘情愿地随他到处搬迁。她悄然离开了天体物理学领域,做一点兼职教学,偶尔也涉足一点研究。这位曾非常有前途的女博士开始淡出人们的视野。

但人们没有忘记她的贡献。1973年,富兰克林研究所把该年度的迈克尔逊奖章颁发给休伊什和乔瑟琳。作为诺贝尔奖的风向标之一,人们纷纷预测,诺贝尔奖要来了。

果然,1974年,诺贝尔奖委员会把物理学奖授给了休伊什和赖尔两位天文学家。这是首次将物理学奖颁发给天文学家。赖尔得奖的原因是在射电天文学上的整体研究,而休伊什则是因为发现了脉冲星。但,这里没有乔瑟琳!

这一决定引起了巨大争议,尽管休伊什确实做出了很大贡献,准备观测设备和方案,也指导和把握了研究节奏,但把第一发现人排除在奖项外,仍是令人匪夷所思的。

造成这一情况的原因可能有两个:一是由于乔瑟琳的女性和学生两个弱势身份,让她受到了不公正对待;二是诺贝尔奖的评奖委员会对脉冲星的发现过程缺乏完整的了解,只根据论文的署名顺序颁发了奖项。但不管哪种解释,都不光彩。

科普作家约翰·格里宾毫不客气地指出,“诺贝尔委员会曾经做过很多奇怪的决定”,把乔瑟琳排除在外“是最令人震惊的决定之一”。天体物理学家霍伊尔爵士也调侃说,诺贝尔(Nobel)奖就是“没有贝尔(No-Bell)”奖(“贝尔”是乔瑟琳的姓氏)。

对此,乔瑟琳反倒比较冷静。她也许曾失望或不满,但从没有表现出来。她说:“脉冲星的发现已经给我带了来巨大的快乐和一些我不应得到的名声。”

也许是接受了这次事件的教训,后来,在1993年给脉冲双星的发现颁奖时,赫尔斯(R.A.Hulse)和他的导师泰勒(J.H.Taylor) 共同获得了荣誉。在那一次颁奖典礼上,委员会格外精心,特意邀请了乔瑟琳,这应该算是一种补偿吧。

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