物理群星
乔斯林·贝尔·伯内尔 肖像

图:Roger W Haworth,1967 / CC BY-SA 2.0

乔斯林·贝尔·伯内尔

Jocelyn Bell Burnell

1943–今 · 生于英国贝尔法斯特 · 英国

天体与宇宙学

二十四岁在几公里长的纸带上认出一点「多余的杂波」,诺贝尔奖发给了她导师

「我并不为自己没有得到那个奖而难过——毕竟,我因此收到了几乎所有别的奖。」

—— 谈及 1974 年诺贝尔奖时的表述,据其多次公开演讲意译

1967 年夏天,剑桥郊外的一片田野上立起了一台奇怪的望远镜:两公顷的地面上插着一千多根木桩,拉着两百公里长的电线。它是二十四岁的研究生乔斯林·贝尔和同学们花两年时间亲手架起来的——挖坑、埋桩、接线,全靠人力。

它的观测记录不是数字文件,是纸带。每天约三十米,四天绕天一周。全部由她一个人用眼睛看。

「一点多余的杂波」

这台望远镜本来的用途是研究类星体的闪烁。到 1967 年秋,贝尔已经看了几公里长的纸带,对各种信号的样子非常熟悉。

8 月的某一天,她注意到一小段记录看着不太对——大约占纸带四分之一英寸的一点起伏,既不像类星体的闪烁,也不像常见的地面干扰。它出现在天空的同一个位置,而且是在夜里,那时类星体的闪烁本该最弱。

她翻回过去的记录,发现同样的东西出现过好几次。

要看清它得用更快的走纸速度,可这样一来纸带消耗极快,而且信号只在特定时刻出现。她盯了一个多月。11 月 28 日,快速记录终于抓到了:一串脉冲,每 1.337 秒一次,规整得像节拍器。

小绿人

这个周期短得让人不安。当时已知的任何天体都不会这样闪。而且它稳定到可以当钟——自然界里这类规律往往意味着人工。

小组半开玩笑地把信号标为 LGM-1(Little Green Men,小绿人一号)。贝尔后来回忆,她当时的心情不是兴奋而是恼火:她正在赶博士论文,如果有一群外星人非要在她的天线上发信号,实在不是时候。

真正让她排除掉外星文明假设的,是圣诞节前后她在另一片天区找到了第二个、第三个、第四个类似的源。分散在天空各处的多个文明用同一种方式发报,可能性太低了。

那是一类新的天体。

什么东西能转这么快

答案在 1968 年被理清:一颗中子星。

这个答案三十多年前就躺在纸上了:钱德拉塞卡算出白矮星撑不住超过某个质量,朗道与兹威基推测更重的核心会一路塌成一团几乎全是中子的东西。二十公里直径,一个太阳的分量,磁场强到找不出类比。这样一颗星飞速转起来,从磁极射出的波束每扫过地球一次,我们就收到一个脉冲。

1968 年 2 月,论文发表在《自然》上,五位作者,休伊什第一,贝尔第二。

1974 年

1974 年,诺贝尔物理学奖给了休伊什和赖尔,表彰射电天体物理学的开创性工作,脉冲星的发现明确写在授奖理由里。名单上没有贝尔。

这件事引发了长久的争议。霍伊尔公开表示这是不公。贝尔本人的态度一贯克制:她说那个年代的惯例就是奖项归于项目负责人,而且她是研究生。她也说过一句常被引用的话,大意是——她并不为没得到那个奖而难过,毕竟她因此收到了几乎所有别的奖。

不过她后来对科学界的性别问题相当直率。她长期推动改善女性与少数群体在物理学中的处境,并指出自己一生都在做「唯一的那个女生」。

2018 年她获得基础物理学突破奖,奖金三百万美元。她当场宣布全部捐出,设立基金资助女性、少数族裔与难民背景的物理学研究生。她给出的理由是:她自己作为一个局外人反而看到了别人看不到的东西,而科学需要更多这样的局外人。

如今编进目录的脉冲星已有三千多颗。作为钟,它们准到可以拿来检验广义相对论、搜寻引力波背景;先驱者号金属板上那张标定地球位置的图,用的也是它们。

代表方程

第一颗脉冲星的周期

P=1.337 sP = 1.337\ \mathrm{s}

信号每 1.337 秒重复一次,稳定到可以当钟用。这么快的规律闪烁只能来自极小的天体——一颗直径约二十公里、每秒自转一圈的中子星。

中子星的密度

ρ∼1017 kg/m3\rho \sim 10^{17}\ \mathrm{kg/m^3}

一茶匙的中子星物质约重十亿吨。整个太阳的质量被压进一座城市大小的球里,靠中子简并压勉强撑住。

伟大发现