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脉冲星的发现及其意义

2007年是脉冲星发现40周年，期间诺贝尔物理学奖曾两次光顾脉冲星的发现，其原因何在？爱因斯坦关于引力波的预言是如何被验证？脉冲星发现者的举世成就和诺贝尔奖的是非恩怨再次成为关注话题.

1967年8月剑桥射电天文台的女研究生贝尔(JocelynBell)在纷乱的记录纸带上察觉到一个奇怪的“干扰”信号，经多次反复钻研，她成功地认证：每隔1.33秒地球接受到一个脉冲的源（之后被命名为PSR1919+21）.得知这一惊人消息，她的导师休伊什(AntonyHewish)曾怀疑这可能是外星人――“小绿人”――发出的摩尔斯电码，但是进一步的观测表明，这个天体发出脉冲的频率精确得令人难以置信.接下来，贝尔又找出了另外3个类似的源，所以排除了外星人信号，因为不可能有三个“小绿人”在不同方向、同时向地球发射信号.再经过认真仔细研究，1968年2月，贝尔和休伊什联名在英国《自然》杂志上报告了脉冲星的发现，并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密的中子星（也许是夸克星）.这是20世纪的一个重大发现，为天文学研究开辟了新的领域，而且对现代物理学的发展产生了深远影响，成为1960年代天文学的四大发现之一（另三个发现：星际分子、类星体、微波背景辐射）.1974年，科学家们选定了天鹰座中距地球17000光年的一对双星脉冲星进行观测.在那以后的12年中，测得它们的轨道周期以每年76毫秒的速度在减小.这与根据爱因斯坦理论的计算结果精确地相符.

既然宇宙中存在引力波，那么，在地面上就应该能检测从太空传来的引力波.从理论上说，像光波引起天线振荡一样，引力波也会使物体产生某种振荡，如使弹性物体产生轻微的波动，使刚性物体产生伸长和缩短的变形等.检测到这些振荡，也就是检测到了引力波.

如果在地面上检测到了引力波，不仅证明宇宙中引力波的存在，而且可以知道每一个引力波源的方向和它的主要特性.因为物体波动或伸缩的方向就是引力波源的方向，物体中两点之间的距离在引力波作用下发生的变动，反映引力波的振幅，而波的振幅是它的能量的量度.因此，引力波探测器也就成了引力波望远镜.

经过40年的努力，天文学家已发现大约1900颗脉冲星.人们已基本清楚，脉冲星是高密度星体，其主要成分是中子（但部分脉冲星也许是夸克星，有待进一步证实），半径大约10公里，其密度相当于将整个太阳压缩到北京市区的范围，因此具有超强的引力场.乒乓球大小的中子星物质相当于地球上一座山的重量.脉冲星磁场是地球的万亿倍（地磁场约10^-4特）.脉冲星的强引力场可用来验证爱因斯坦广义相对论，其超高密度用来验证核物理理论.所以，脉冲星被誉为物理学的“空间实验室”.天文学家认为，脉冲星是超新星爆发后留下的残余部分.在蟹状星云内发现的脉冲星PSRO531-21，周期只有0.0333秒，而它的遗迹早在宋朝（公元1054年）就被我国古代的天文学家记录，这也是人类历史上第一次记录的一颗恒星的演化史.在恒星塌缩的过程中，它所包含的物质挤压在一起，密度越来越大，由于角动量守恒，星体会越转越快.这与花样滑冰运动员两臂在向内收紧时，也会越转越快的道理相同.有些脉冲星旋转快得惊人，而且高度稳定.最近已发现每秒可旋转1122次的脉冲星.据估计，在银河系中，可能有多达6万颗脉冲星，大部分还没有被发现.

脉冲星的脉冲从何而来？有点像地球的磁场形状，脉冲星的磁轴与旋转轴之间成一定角度，当星体旋转时，磁极区的辐射能量就像灯塔的光束一样扫过太空.当此辐射束照射到地球时，人们用射电望远镜可能探测到脉冲星.虽然很多脉冲星在银河系被发现，但它们距离遥远，人类无法用肉眼看到，只能借助望远镜探测它们发射出的强大辐射.除了射电波段，在红外、紫外、光学、X射线、γ射线波段都已观测到脉冲星.脉冲星的重要性还在于其应用价值.毫秒脉冲星具高度稳定性，可与原子时（atomictime）的长期稳定度媲美.在长期计时观测成果的基础上，毫秒脉冲星可作为计时参考.随着脉冲星计时阵的实施，国际上，在时间标准研究方面将会取得重要成果，预期可用于航天器全程高精度自主导航.

在地球上和太阳系里，爱因斯坦广义相对论的四个预言得到验证，但引力波预言一直无法证实.激动人心的消息来自美国波多黎各山谷的阿雷西博天文台（AreciboObservatory），这里安装了世界最大的单口径（300米）射电望远镜.1974年，两名普林斯顿大学天文学家泰勒（J.Taylor）和赫尔斯（R.Hulse）首次发现脉冲星双星系统（命名PSR1913+16）.此发现是一个天赐良机，可用它来检验爱因斯坦关于引力波的预言.双星绕转运动将辐射引力波，导致能量和角动量损失，双星轨道收缩.这个效应很小，无法在太阳系测到，但在脉冲星双星系统应当可以测到.先把轨道周期的变化率精确地计算出来，通过精确观测脉冲双星轨道周期的变化检测引力波的存在.脉冲星双星系统PSR1913+16由两颗中子星组成，其中一颗发射脉冲信号，它们轨道周期为7.75小时，通过对其周期变率的测定后得到与爱因斯坦理论预言符合的结果.此消息一经传出，世界为之轰动，在地面上不易验证的爱因斯坦理论，在遥远的脉冲星系统找到了证据.这好比牛顿关于苹果下落的猜想，印证月球围绕地球转动的理论.为此，泰勒和赫尔斯获得了1993年度诺贝尔物理学奖.一种天体的发现能获2次诺贝尔奖，绝无仅有.这次诺贝尔奖委员会已有前车之鉴，赫尔斯发现脉冲双星时也是学生，但这次与导师一起获奖.为了弥补以往的过失，诺贝尔奖委员会请来贝尔参加此次颁奖仪式.如果没有贝尔1967年的发现，也就没有这次颁奖了，当然科学发现的历史也将改写.直到2005年历经30年观测表明（1975－2005年），爱因斯坦理论和观测吻合的很好.2004年不负众望，天文学家又取得了突破性进展.澳大利亚帕克斯（Parkes）64米口径天文望远镜发现了一对互相绕行的脉冲星，命名为PSRJ0737-3039A/B，距离地球2000光年.它们轨道周期仅为2.4小时，相距100万公里的这两颗中子星都发射电波，这是已知的唯一一对相互环绕的可观测射电脉冲双星系统.与先前发现的脉冲双星相比，PSRJ0737-3039A/B轨道周期更短，引力辐射更强，是一个优越的引力波实验室.美国GBT望远镜（GreenBankTelescope，100米口径）对双脉冲星长达三年的精确测量，得到双星的间距以每天7毫米的速度变小，这与广义相对论引力波预言的结论一致.在检验中，还观测到了其他的相对论效应，如脉冲星附近的时空弯曲导致的时钟变慢，即夏皮罗（I.Shapiro）延迟，它的测量误差在0.05%以内，这是目前为止对广义相对论最精确的检验.

美国在路易斯安那州和华盛顿州建造了两台激光干涉仪引力波观测台，它们相距3000千米.每个观测台上有一个L形真空管探测臂，长4千米，在管的两端和转弯处有反射镜，让激光束在镜面之间来回反射.激光在弯处的镜面上通过干涉产生明暗条纹光带.如果有引力波通过，由于时空畸变，会使相互垂直的探测臂一个伸长、一个缩短，光带因而发生变化.相隔3000千米设两个观测台，是为了排除地球上地震、雷暴和火车行驶、飞机飞行等各种干扰因素，因为这些因素不可能在两地同时发生.这个观测台2002年开始启用，能探测到10^-18米的长度变化.但迄今没有探测到引力波.

美、欧科学家计划在2012年发射航天器，利用太空的广阔距离对引力波进行探测.其方案是，将3对探测器送入太空，让它们组成等边三角形，相邻两对探测器之间的距离为500万千米，它们在地球后面以20度的夹角一起绕太阳运行.3对探测器之间用激光测量距离.如果有引力波传来，它会挤压时空，使3对探测器之间的距离发生微小的变化.灵敏的激光可测出一个原子直径大小的位移.由于它们所占的地域比地球上的探测器大得多，因而可能探测到更多的引力波源；灵敏度也更高.

现在的各种望远镜，都是通过接收光波进行宇宙探测的，但是，在宇宙大爆炸后的头100万年中没有电磁辐射；黑洞一般不发射光波；中子星、超新星核等致密星体和超密物质一般电磁辐射都较弱，通过电磁辐射所能揭示的信息很少.但它们却是最强的引力辐射源.由此可见，引力波望远镜与传统望远镜有很强的互补性；还有，引力波与光波不同，它可穿透任何物体，也不被任何物体所吸收，来自遥远引力辐射源的引力波，不会损失任何所携带的信息.因此，引力波望远镜可以探测到许多原始信息.一句话，引力波望远镜为我们探测宇宙开设了一个崭新的窗口.