简述20世纪60年代天文学的四大发现的背景及意义.doc

20世纪60年代天文学的四大发现分别是：微波背景辐射、脉冲星、类星体和星际有机分子 宇宙微波背景辐射（又称3K背景辐射）是一种充满整个宇宙的电磁辐射。特征和绝对温标2.725K的黑体辐射相同。频率属与微波范围。1934年，Tolman是第一个研究有关宇宙背景辐射的人。他发现在宇宙中辐射温度的演化里温度会随著时间演化而改变；而光子的频率随时间演化(即宇宙学红移)也会有所不同。但是当两者一起考虑时，也就是讨论光谱时(是频率与温度的函数)两者的变化会抵销掉，也就是黑体辐射的形式会保留下来。 1948年，由旅美的俄国物理学家伽莫夫带领的团队估算出，如果宇宙最初的温度约为十亿度，则会残留有约510k的黑体辐射。然而这个工作并没有引起重视。 1964年，苏联的泽尔多维奇(Zeldovich)、英国的霍伊尔(Hoyle)、泰勒(Tayler)、美国的皮伯斯(Peebles)等人的研究预言，宇宙应当残留有温度为几开的背景辐射，并且在厘米波段上应该是可以观测到的，从而重新引起了学术界对背景辐射的重视。美国的狄克(Dicke)、劳尔(Roll)、威尔金森(Wilkinson)等人也开始着手制造一种低噪声的天线来探测这种辐射，然而另外两个美国人无意中先于他们发现了背景辐射。 发现 1964年，美国贝尔实验室的工程师阿诺彭齐亚斯(Penzias)和罗伯特威尔逊(Wilson)架设了一台喇叭形状的天线，用以接受“回声”卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量。他们发现，在波长为7.35cm的地方一直有一个各向同性的讯号存在，这个信号既没有周日的变化，也没有季节的变化，因而可以判定与地球的公转和自转无关。 起初他们怀疑这个信号来源于天线系统本身。1965年初，他们对天线进行了彻底检查，清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，然而噪声仍然存在。于是他们在天体物理学报上以在4080兆赫上额外天线温度的测量为题发表论文正式宣布了这个发现。 紧接着狄克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在同一杂志上以宇宙黑体辐射为标题发表了一篇论文，对这个发现给出了正确的解释：即这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射。这个黑体辐射对应到一个3k的温度。之后在观测其他波长的背景辐射推断出温度约为2.7K。 宇宙背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义，它给了大爆炸理论一个有力的证据，并且与类星体、脉冲星、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。彭齐亚斯和威尔逊也因发现了宇宙微波背景辐射而获得1978年的诺贝尔物理学奖。 进一步的研究 后来人们在不同波段上对微波背景辐射做了大量的测量和详细的研究，发现它在一个相当宽的波段范围内良好地符合黑体辐射谱，并且在整个天空上是高度各相同性的，只是具有一个微小的偶极各相异性：在赤经11.30.1h，赤纬42的地方温度略高，在相反的方向温度略低，人们认为这是由银河系运动带来的多普勒效应所引起的。 COBE的成果根据1989年11月升空的微波背景探测卫星(COBE，CosmicBackgroundExplorer)测量到的结果，宇宙微波背景辐射谱非常精确地符合温度为2.7260.010K的黑体辐射谱，证实了银河系相对于背景辐射有一个相对的运动速度，并且还验证，扣除掉这个速度对测量结果带来的影响，以及银河系内物质辐射的干扰，宇宙背景辐射具有高度各向同性，温度涨落的幅度只有大约百万分之五。目前公认的理论认为，这个温度涨落起源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落，它随着宇宙的暴涨而放大到宇宙学的尺度上，并且正是由于温度的涨落，造成物质宇宙物质分布的不均匀性，最终得以形成诸如星系团等的一类大尺度结构。 WMAP的发现 2003年，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景辐射在不同方向上的涨落的测量表明，宇宙的年龄是1371亿年，在宇宙的组成成分中，4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是71公里每秒每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平直的，它经历过暴涨的过程，并且会一直膨胀下去。宇宙背景辐射的发现在近代天文学上具有非常重要的意义，它给了大爆炸理论一个有力的证据。脉冲星概述脉冲星（Pulsar），又称波霎，是中子星的一种，为会周期性发射脉冲信号的星体。 人们最早认为恒星是永远不变的。而大多数恒星的变化过程是如此的漫长，人们也根本觉察不到。然而，并不是所有的恒星都那么平静。后来人们发现，有些恒星也很“调皮”，变化多端。于是，就给那些喜欢变化的恒星起了个专门的名字，叫“变星”。 脉冲星，就是变星的一种。脉冲星是在1967年首次被发现的。当时，还是一名女研究生的贝尔，发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。经过仔细分析，科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号，人们就把它命名为脉冲星。 脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始，人们对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说，第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。 经过几位天文学家一年的努力，终于证实，脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且，正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。 蟹状星云脉冲星的X射线/可见光波段合成图像 正如地球有磁场一样，恒星也有磁场；也正如地球在自转一样，恒星也都在自转着；还跟地球一样，恒星的磁场方向不一定跟自转轴在同一直线上。这样，每当恒星自转一周，它的磁场就会在空间划一个圆，而且可能扫过地球一次。 那么岂不是所有恒星都能发脉冲了？其实不然，要发出像脉冲星那样的射电信号，需要很强的磁场。而只有体积越小、质量越大的恒星，它的磁场才越强。而中子星正是这样高密度的恒星。 另一方面，当恒星体积越大、质量越大，它的自转周期就越长。我们很熟悉的地球自转一周要二十四小时。而脉冲星的自转周期竟然小到0.0014秒！要达到这个速度，连白矮星都不行。这同样说明，只有高速旋转的中子星，才可能扮演脉冲星的角色。 这个结论引起了巨大的轰动。因为虽然早在30年代，中子星就作为假说而被提了出来，但是一直没有得到证实，人们也不曾观测到中子星的存在。而且因为理论预言的中子星密度大得超出了人们的想象，在当时，人们还普遍对这个假说抱怀疑的态度。 直到脉冲星被发现后，经过计算，它的脉冲强度和频率只有像中子星那样体积小、密度大、质量大的星体才能达到。这样，中子星才真正由假说成为事实。这真是本世纪天文学上的一件大事。因此，脉冲星的发现，被称为二十世纪六十年代的四大天文学重要发现之一。 脉冲星是20世纪60年代天文的四大发现之一。至今，脉冲星已被我们找到了不少于1620多颗，并且已得知它们就是高速自转着的中子星。 脉冲星有个奇异的特性短而稳的脉冲周期。所谓脉冲就是像人的脉搏一样，一下一下出现短促的无线电讯号，如贝尔发现的第一颗脉冲星，每两脉冲间隔时间是1.337秒，其他脉冲还有短到0.0014秒（编号为PSR-J1748-2446）的，最长的也不过11.765735秒（编号为PSR-J1841-0456）。那么，这样有规则的脉冲究竟是怎样产生的呢？ 天文学家已经探测、研究得出结论，脉冲的形成是由于脉冲的高速自转。那为什么自转能形成脉冲呢？原理就像我们乘坐轮船在海里航行，看到过的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着且在不停地有规则运动，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。不断旋转，在我们看来，灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样，当它每自转一周，我们就接收到一次它辐射的电磁波，于是就形成一断一续的脉冲。脉冲这种现象，也就叫“灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。 然而灯塔的光只能从窗口射出来，是不是说脉冲星也只能从某个“窗口”射出来呢？正是这样，脉冲星就是中子星，而中子星与其他星体（如太阳）发光不一样，太阳表面到处发亮，中子星则只有两个相对着的小区域才能辐射出来，其他地方辐射是跑不出来的。即是说中子星表面只有两个亮斑，别处都是暗的。这是什么原因呢？原来，中子星本身存在着极大的磁场，强磁场把辐射封闭起来，使中子星辐射只能沿着磁轴方向，从两个磁极区出来，这两磁极区就是中子星的“窗口”。 中子星的辐射从两个“窗口”出来后，在空中传播，形成两个圆锥形的辐射束。若地球刚好在这束辐射的方向上，我们就能接收到辐射，且每转一圈，这束辐射就扫过地球一次，也就形成我们接收到的有规则的脉冲信号。 灯塔模型是现在最为流行的脉冲星模型。另一种磁场震荡模型1还没有被普遍接受。 脉冲星是高速自转的中子星，但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时，我们就接收不到脉冲信号，此时中子星就不表现为脉冲星了。 脉冲星的一般符号是PSR。例如,第一个脉冲星就记为PSR1919+21。1919表示这个脉冲星的赤经是19小时19分;+21表示脉冲星的赤纬是北纬21度。 双脉冲星PSRJ0737-3039A/B的发现，让人们欣喜若狂。它是由两个脉冲星形成的双星系统。能够发现双脉冲星系统，确实是非常幸运的事情。对PSRJ0737-3039A进行计算以后，科学家预言它的脉冲轮廓形状会发生较快的演化，甚至预言在2020年左右，它的光束会由于轴线进动而从我们的视线中消失，但是，仔细的观测结果显示，预期的脉冲轮廓形状根本就没有发生变化，这对科学家的打击可是不小。预言的失败让我们感到，脉冲星的灯塔模型似乎存在着问题。 为什么脉冲星会发射“脉冲”？ 实际上，脉冲星并非或明或暗。它们发射出恒定的能量流。这一能量汇聚成一束电磁粒子流，从星体的磁极以光速喷射出来。中子星的磁轴与旋转轴之间成一定角度，这与在地球上，磁北和真北的地理位置略有不同一样。星体旋转时，这一能量束就象灯塔的光束或救护车警灯一样，扫过太空。只有当此能量束直接照射到地球时，我们才能用射电望远镜探测到脉冲星。 即使脉冲星发出的光在可见光谱内，但由于它们实在太小，离我们又很远，所以我们无法探测到这种可见光。我们只能用射电望远镜探测它们发射出的强大的高频射电能量。 脉冲星的发现 1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼休伊什教授的研究生24岁的乔丝琳贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为1.337秒。起初她以为这是外星人“小绿人（LGM）”发来的信号，但在接下来不到半年的时间里，又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体，并把它命名为脉冲星(Pulsar，又称波霎)。脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。安东尼休伊什教授本人也因脉冲星的发现而荣获1974年的诺贝尔物理学奖，尽管人们对贝尔小姐未能获奖而颇有微词。 15岁女生发现新脉冲星 一名西维吉尼亚的高中学生，使用来自绿湾射电天文望远镜（RobertC.ByrdGreenBankTelescope，简写GBT)的数据，发现了一个新脉冲星。ShayBloxton，15岁，参与了一个让学生分析射电望远镜数据的项目，于2009年10月15日发现了一个可能是脉冲星的天体。她和NRAO天文台的天文学家在一个月后再次观察了该天体，证实它确实是一颗脉冲星。Bloxton表示十分兴奋，她在11月份前往绿湾，参加跟踪观察。她所参与的项目叫PulsarSearchCollaboratory(PSC)，是美国国家射电天文台和西维吉尼亚大学的联合项目。科学家首次发现脉冲星是在1967年。去年末，另一名来自SouthHarrison高中的西维吉尼亚学生，也在参与PSC项目时发现了一个类似脉冲星的天体。 脉冲星的特征 锥形扫射1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。中子星具有强磁场，运动的带电粒子发出同步辐射，形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合，每当射电波束扫过地球时，就接收到一个脉冲。 恒星在演化末期，缺乏继续燃烧所需要的核反应原料，内部辐射压降低，由于其自身的引力作用逐渐坍缩。质量不够大(约数倍太阳质量)的恒星坍缩后依靠电子简并压力与引力相抗衡，成为白矮星，而在质量比这还大的恒星里面，电子被压入原子核，形成中子，这时候恒星依靠中子的简并压与引力保持平衡，这就是中子星。典型中子星的半径只有几公里到十几公里，质量却在1-2倍太阳质量之间，因此其密度可以达到每立方厘米上亿吨。由于恒星在坍缩的时候角动量守恒，坍缩成半径很小的中子星后自转速度往往非常快。又因为恒星磁场的磁轴与自转轴通常不平行，有的夹角甚至达到90度，而电磁波只能从磁极的位置发射出来，形成圆锥形的辐射区。此为在持脉冲星便是中子星的证据中，其中一个便是我们在蟹状星云（M1；原天关客星，SN1054）确实也发现了一个周期约0.033s的波霎。 脉冲星靠消耗自转能而弥补辐射出去的能量，因而自转会逐渐放慢。但是这种变慢非常缓慢，以致于信号周期的精确度能够超过原子钟。而从脉冲星的周期就可以推测出其年龄的大小，周期越短的脉冲星越年轻。 脉冲星的特征除高速自转外，还具有极强的磁场，电子从磁极射出，辐射具有很强的方向性。由于脉冲星的自转轴和它的磁轴不重合，在自转中，当辐射向着观测者时，观测者就接收到了脉冲。到1999年，已发现1000颗脉冲星。 毫秒脉冲星 20世纪80年代，由发现了一类所谓的毫秒脉冲星，它们的周期太短了，只有毫秒量级，之前的仪器虽然能探测到，但是很难将脉冲分辨出来。研究发现毫秒脉冲星并不年轻，这就对传统的“周期越短越年轻”的理论提出了挑战。进一步的研究发现毫秒脉冲星与密近双星有关。 著名的脉冲星 人类发现的第一颗脉冲星：PSR1919+21，也就是上文贝尔小姐发现的那颗脉冲星，位于狐狸座方向，周期为1.33730119227秒。 人类发现的第一颗脉冲双星：PSRB1913+16 人类发现的第一颗毫秒脉冲星：PSRB1913+16 人类发现的第一颗带有行星系统的脉冲星：PSRB1257+12 人类发现的第一颗双脉冲星系统：PSRJ07373039 与发现脉冲星有关的故事 脉冲星被认为是“死亡之星”，是恒星在超新星阶段爆发后的产物。超新星爆发之后，就只剩下了一个“核”，仅有几十公里大小，它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒714圈。在旋转过程中，它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射，脉冲星就像是宇宙中的灯塔，源源不断地向外界发射电磁波，这种电磁波是间歇性的，而且有着很强的规律性。正是由于其强烈的规律性，脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。 脉冲星的存在是过去人们没有预料到的，它的性质如此奇特，以至于人们在对它的认识过程中产生了很多故事。 发现脉冲星 脉冲星刚发现的时候，人们以外那是外星人向我们发射的电磁波，他们在寻求宇宙中的知音。 1967年，英国剑桥新建造了射电望远镜，这是一种新型的望远镜，它的作用是观测射电辐射受行星际物质的影响。整个装置不能移动，只能依靠各天区的周日运动进入望远镜的视场而进行逐条扫描。年月，这台仪器正式投入使用，接受波长为米。用望远镜观测并担任繁重记录处理的是休伊什的女博士研究生乔斯琳贝尔。在观测的过程中，细心的贝尔小姐发现了一系列的奇怪的脉冲，这些脉冲的时间间距精确的相等。贝尔小姐立刻把这个消息报告给她的导师休伊什，休伊什认为这是受到了地球上某种电波的影响。但是，第二天，也是同一时间，也是同一个天区，那个神秘的脉冲信号再次出现。这一次可以证明，这个奇怪的信号不是来自于地球，它确实是来自于天外。 这是不是外星人向我们发出的文明信号呢，新闻媒体对这个问题投入了极大的热情，不久，贝尔又发现了天空中的另外几个这样的天区，最后终于证明，这是一种新型的还不被人们认识的天体脉冲星。年，这项新发现获得了诺贝尔物理奖，奖项颁给了休伊什，以奖励他所领导的研究小组发现了脉冲星。令人遗憾的是，脉冲星的直接发现者，乔斯琳贝尔小姐不在获奖人员之列。事实上，在脉冲星的发现中，起关键作用的应该是贝尔小姐的严谨的科学态度和极度细心的观测。 最愚蠢的一脚 就在贝尔小姐发现射电脉冲之前，有位物理学家也把他的射电望远镜对准了太空，他观测的位置是猎户座的一个脉冲星，他发现自动记录仪在发生着颤抖，这种颤抖是有一定规律可循的，但是他并没有留意这种情况，他以为自己的设备出了什么毛病，于是，他对着仪器轻轻地踢了一脚，仪器的颤抖消失了，他就是这样与发现脉冲星的桂冠擦肩而过，与他一起擦肩而过的，还有一笔诺贝尔奖金。 这最愚蠢的一脚，使他终身难忘，后悔不已。他向贝尔小姐讲述了自己的故事。但他却不愿意透露自己的身份。所以直到今天，也没有人知道这位射电天文学家是谁。 脉冲星的摇摆舞 虽然脉冲星不是外星人发射的信号，但是人们依然对外星人极感兴趣，人们认为，如果有外星人的话，他们应该在一颗行星上，于是，寻找太阳系以外的行星的工作就从来没有停止过，许多人在这条道路上艰难的向前摸索着，他们被称为猎星人。第一个发现太阳系以外行星的不是这些猎星人，而是一位研究脉冲星的科学家。 安德鲁林恩（也有人译作莱恩）是全球发现脉冲星最多的人。林恩发现了一类奇怪的脉冲星，其脉冲总是会早到或晚到地球几毫秒，这种情况每半年就出现一次，仿佛是脉冲星一会儿朝着我们而来，一会儿又离开我们而去，脉冲星好像是在跳摇摆舞。他把自己的这一发现发表在了著名的科学杂志自然上面，结果立即震惊了学术界。真是令人难以置信，林恩在偶然间发现了脉冲星被行星引力牵引在跳摇摆舞，这种摇摆的证据表明，在这颗脉冲星的周围，有行星围绕着它运行。这个发现让那些猎星人极感兴趣。 他就在安德鲁林恩即将在美国天文学年会上发言前夕，为了充分准备他的研究资料，他开始重新检查并修正有关数据，但是这个时候，他却突然发现自己犯了一个错误：他所发现的“摇摆”，其实只是地球自身在环绕太阳运行过程中所产生的“摇摆”。由于电脑出错，先前未能考虑到这一因素，所以才出现了脉冲星“摇摆”的错误结论。林恩一下子呆了，他开始为自己的愚蠢后悔不已，最后，他终于作出了痛苦的选择，必须公开承认这一重大失误。 在美国天文学年会上。面对500位正期待着与他分享成功喜悦的同行们，林恩认错了，他说：“很不幸，这是一个错误！”但是，让他没有料到的是，500位听众竟然全体起立，为林恩的诚实热烈鼓掌。 脉冲星的行星 也就是在这一天，也就是在这次会议上，还有另一个人，也准备了相似的发言，他也是一位脉冲星观测者，他的名字叫做亚历克斯沃尔兹坎。 但与林恩不同的是，他的证据确确实实地表明，有一颗脉冲星不仅只被一颗行星所环绕，而是具有一整套行星系统！发言之前，沃尔兹坎有些忐忑不安，因为林恩的认错无疑更强化了一种根深蒂固的观念；“脉冲星不可能有行星环绕”。不过这一次，事实证明沃尔兹坎是对的，他不仅发现了脉冲星的“摇摆”，而且计算出有3颗行星在围绕这颗脉冲星运行，并且这些行星每200天就相会一次，每一次其中两颗较大的行星都会相互影响对方，这样就使它们的轨道发生一些微妙的改变。正是这些改变，使他发现了这颗脉冲星拥有行星的秘密。 脉冲星的行星就是这样被发现了，而且它还是一个完整的行星系统，但是这个时候，那些猎星人连一个太阳系以外的行星也没有找到，这样的发现让猎星人感到十分困惑，因为脉冲星具有行星，这是天文学家过去没有想到的。脉冲星是爆发过的中子星，他怎么可能会有行星呢？ 第一个日外行星系统就是这样被发现了，由于它不符合现代的天文学理论，这个发现总是让人感到有些意外。 脉冲双星 脉冲星拥有行星的发现虽然看起来显得意外，在这方面还有更加意外的发现，那就是脉冲双星。 赫尔斯是个研究生，他被当作泰勒的助手派往波多黎各的阿雷西博，用大射电望远镜观测脉冲星，那是当时最好的射电望远镜，也许正是使用了这个望远镜的原因，他发现了一种奇怪的电波，这个时候距离第一颗脉冲星的发现仅仅过了七年，人们对脉冲星的了解还很肤浅，当时赫尔斯还不能立刻确信他所看到的周期变化就是事实，经过反复观测后，他才确定该系统是双体。他把这个消息电告泰勒，泰勒立刻赶往阿雷西博，他们进一步研究后认为这是一个脉冲双星，并且一起确定了双星的周期和两颗天体之间的距离。于是，第一颗脉冲双星就是这样被发现了，这个发现在1993年被授予诺贝尔奖，这样有关脉冲星的发现就有了两项诺贝尔奖。 双脉冲星 2003年12月，Nature上的一篇研究报告宣布发现了脉冲星PSRJ0737-3039，与看起来像是一颗中子星的恒星成对出现。一个月后，当来自澳大利亚Parkes天文望远镜的数据被重新分析时，研究人员发现该中子星实际上也是另一颗脉冲星。所以这是第一个被发现的双脉冲星体系，现在的名称是PSRJ0737-3039A/B。 脉冲双星与双脉冲星是有区别的。在脉冲双星系统中，一个脉冲星与另外一个非脉冲星（可以是中子星、白矮星、甚至是普通的主序星）相伴。在双脉冲星系统中，必须是两个脉冲星相伴。目前，已经发现的脉冲双星系统已经有120个，而发现的双脉冲星系统只有一个PSRJ0737-3039A/B。 中学生发现脉冲星 从事天文研究的都是专业天文学家，他们有丰富的研究经验，也有专业的研究设备，所以他们可以取得骄人的成绩。但是，在脉冲星的发现历史上，却有着一个特别的例子，这个例子就是三名中学生发现了一颗脉冲星。通常情况下，超新星爆发后，会在原来的遗址上留下来一颗恒星的残骸，这样的残骸很可能就是脉冲星，但是，科学家没有注意到这个问题，却让三名中学生发现了。于是，这三个中学生获得了西门子-西屋科学和技术竞赛大奖。 在美国北卡罗来纳州，有三名中学生，他们都是天文发烧友，经常在一起探讨天文问题，钱德拉塞卡空间望远镜发回的资料引起了他们的兴趣，他们发现在IC443的超新星遗迹有些特别，似乎有一个点状的X射线源存在，这表明那里很可能会有一颗脉冲星。他们把这个消息报告给了专业天文学家。结果，这个发现获得了专家的认可，麻省理工学院脉冲星专家布赖恩博士对这些中学生的成果评价说：“这是一个实实在在的科学发现。有关人员都应该对此成就感到骄傲。” 脉冲星实在是一种奇异的天体，人们对它的各种特性还没有完全了解，很多发现都是事先没有预料到的。随着人们对它的了解越来越多，这方面的理论建设也就会越来越完善，故事也许不会再发生。 那是1967年8月，剑桥射电天文台的女研究生贝尔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：地球每隔1.33秒接收到一个极其规则的脉冲。得知这一惊人消息，她的导师休伊什曾怀疑这可能是外星人“小绿人”发出的摩尔斯电码,他们可能在向地球问候。但是，进一步的测量表明，这个天体发出脉冲的频率精确得令人难以置信,并没有电码的明显丰富信息。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、同时向地球发射稳定频率信号。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新型天体脉冲星的发现，并认为脉冲星就是物理学家预言的超级致密的、接近黑洞的奇异天体,其半径大约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。乒乓球大小的脉冲星物质相当于地球上一座山的重量。这是20世纪激动人心的重大发现，为人类探索自然开辟了新的领域，而且对现代物理学的发展产生了深远影响，成为上世纪60年代天文学的四大发现之一。 然而，荣誉出现了归属争议。1974年诺贝尔物理学奖桂冠只戴在导师休伊什的头上，完全忽略了学生贝尔的贡献，舆论一片哗然。英国著名天文学家霍伊尔爵士在伦敦泰晤士报发表谈话，他认为，贝尔应同休伊什共享诺贝尔奖，并对诺贝尔奖委员会授奖前的调查工作欠周密提出了批评，甚至认为此事件是诺贝尔奖历史上一桩丑闻、性别歧视案。霍伊尔还认为，贝尔的发现是非常重要的，但她的导师竟把这一发现扣压半年，从客观上讲就是一种盗窃。更有学者指出，“贝尔小姐作出的卓越发现，让她的导师休伊什赢得了诺贝尔物理奖”。著名天文学家曼彻斯特和泰勒所著脉冲星一书的扉页上写道：“献给乔瑟琳贝尔，没有她的聪明和执著，我们不能获得脉冲星的喜悦。” 关于脉冲星真正发现者的争论和对诺贝尔奖委员会的质疑，已经历了40年。40年后的今天,它再次成为关注话题。回首往事，作为导师的休伊什获得了诺贝尔奖，无可厚非，但贝尔失去殊荣，却令人感到惋惜。如果没有贝尔对“干扰”信号一丝不苟的追究，他们可能错过脉冲星的发现。若把诺贝尔奖“竞赛”比作科学“奥运会”，那么，40年前的“裁判”们显然吹了“黑哨”，至少是误判,这玷污了诺贝尔奖的科学公正权威性。 最近，贝尔访问北京期间，笔者与她谈起脉冲星的发现经历和对诺贝尔奖的看法，她说，脉冲星发现后不久，她就被迫离开了剑桥大学。沉默稍许,她直言,上世纪60年代，科学机构普遍存在忽视学生贡献的倾向，特别是女学生。导师经常以“上级领导”自居,将学生成果窃为己有,然后想办法把学生一脚踢开。然而,1993年，两位美国天文学家因发现脉冲星双星而荣获诺贝尔奖时，诺贝尔奖委员会格外精心,邀请贝尔参加了颁奖仪式，算是一种补偿吧。1968年,离开剑桥后，她和休伊什没有再合作，直到上世纪80年代，他们才在一次国际会议上相见，并握手言和。脉冲星发现以来，除了诺贝尔奖，她荣获了十几项世界级科学奖，并成为科学大使。 脉冲星的研究对人类的意义 由于脉冲星是在蹋缩的超新星的残骸中发现的，它们有助于我们了解星体蹋缩时发生了什么情况。还可通过对它们的研究揭示宇宙诞生和演变的奥秘。而且，随着时间的推移，脉冲星的行为方式也会发生多种多样的变化。 每颗脉冲星的周期并非恒定如一。我们能探测到的是中子星的旋转能（电磁辐射的来源）。每当脉冲星发射电磁辐射后，它就会失去一部分旋转能，且转速下降。通过月复一月，年复一年地测量它们的旋转周期，我们可以精确地推断出它们的转速降低了多少、在演变过程中能量损失了多少，甚至还能够推断出在因转速太低而无法发光之前，它们还能生存多长时间。 事实还证明，每颗脉冲星都有与众不同之处。有些亮度极高；有些会发生星震，顷刻间使转速陡增；有些在双星轨道上有伴星；还有数十颗脉冲星转速奇快（高达每秒钟一千次）。每次新发现都会带来一些新的、珍奇的资料，科学家可以利用这些资料帮助我们了解宇宙。类星体类星体的发现及命名 20世纪六十年代，天文学家在茫茫星海中发现了一种奇特的天体，从照片看来如恒星但肯定不是恒星，光谱似行星状星云但又不是星云，发出的射电(即无线电波)如星系又不是星系，因此称它为“类星体1”。类星体的发现，与宇宙微波背景辐射、脉冲星、星际分子并列为20世纪60年代天文学四大发现。 1960年天文学家们发现了射电源3C 48的光学对应体是一个视星等为16等的恒星状天体，周围有很暗的星云状物质。令人不解的是光谱中有几条完全陌生的谱线。1962年，又发现了在射电源3C 273的位置上有一颗13等的“恒星”。使天文学家同样困惑的是其光谱中的谱线也不寻常。 1963年，终于有人认出了3C 273谱线的真面目，原来它们是氢原子的谱线，只不过经历了很大的红移，使得谱线不易证认。循着红移这条线索，再去分析3C 48的光谱，得出它的红移量还要更大。设想红移产生于多普勒效应，那么3C 273和3C 48都有很大的退行速度，分别达光速的1/6和1/3。对于这种在光学照片上的形态像恒星，但是其本质又迥然不同的天体，天文学家把它们命名为类星射电源。进一步的观测和研究揭示了又一类天体，它们的形态也很像恒星，而且也有很大的红移，但是没有射电辐射，被称为射电宁静类星体2。类星体的特点 类星体的显着特点是具有很大的红移，表示它正以飞快的速度在远离我们而去。类星体离我们很远，大约在几十亿光年以外，可能是目前所发现最遥远的天体，天文学家能看到类星体，是因为它们以光、无线电波或x射线的形式发射出巨大的能量。类星体的总结 类星体是宇宙中最明亮的天体，它比正常星系亮1000倍。对能量如此大的物体，类星体却不可思议地小。与直径大约为10万光年的星系相比，类星体的直径大约为1 光天(light-day)。一般天文学家相信有可能是物质被牵引到星系中心的超大质量黑洞中，因而释放大量能量(喷发激烈射线)所致。这些遥远的类星体被认为是在早期星系尚未演化至较稳定的阶段时，当物质被导入主星系中心的黑洞增潻“燃料”而被“点亮”。 由于类星体是一个难解的天体，它奇特的现象如红移之谜，超光速的移动，它的能量来自哪里？它在挑战人类的既有物理观念，它的解决，可能使我们对自然规律的认识向前跨一大步。【缘起】 从1960年起，人们对剑桥第三电波星表中（3C）一些不知意义、模糊的无线电波源，陆陆续续有下列的发现： 它们的光学体很小（光学直径1），和恒星很难区别： 从帕罗马天文台5m望远镜所拍照片中显示,它和恒星一样，都只是一个光点。 它们有极亮(非比寻常的亮)的表面： 在可见光及无线电波波段都此特性。 它们的光谱是连续光谱及强烈的发射谱线： 在1962/63年，由 M.Schmidt 测出这和那些已知的电波星系光谱相同。 事实上，测得的类星体的光谱主要有三部分： 由同步辐射造成的非热性连续光谱； 吸积作用造成极明亮的发射谱线； 星际介质造成的吸收谱线。 它们的光谱呈现巨大的红位移量（位移指数Z=/）。 因此由哈勃定律推论，它们是极远的蓝色星系，可见光绝对亮度超过一般正常星系的100倍，而电波强度和CygA星系相当。 到此阶段的探查，我们将之冠上类星体Quasar之名（或谓类星电波源 Quasistellar Radio Source）。【定名】 1965年A.Sandage发现许多类星体，它们的光学性质和类星电波源相同；都有紧密的结构，极亮的表面及蓝的颜色；但它们却没有辐射无线电波（或是太弱了，而没被测到），因此我们可将它们分为两类： 类星电波源QSRs：能用光学及电波段测出，这类比较少，占目前类星体总数的1/20。 类星体QSOs（或称电波宁静类星体）：电波较弱，只能以光学测出。 今日，我们相信它们代表的是同一种天体，只不过有的电波辐射强度不同；科学家相信，具有强烈电波辐射的类星体可能是类星体一生中处于短暂的发高烧阶段的产物。因此，称之为类星电波源（quasars）或类星体（quasistellarobjects）都可以；有必要时，再注意它有没有辐射电波即可。 目前，在可见光及电波波段的天空搜寻中，数千个类星体已被发现；例如M.P.Veron-Cetty及P.Veron（1989）作的星表目录中有4,170个类星体，A.Hewitt和G.Burbidge（1987）所出星表中3,570个附有红移资料的类星体。【历史纪录】 最近的类星体3C273（M.Schmidt所发现）： 视星等mv=12.8（其余的比16等还暗），红移z=0.158（相当距离950Mpc.约等于31亿光年远）。 最亮的类星体S50014+81： 绝对星等Mv=-33等（mv=16.5）；z值为3.14。 最大红移指数（相当于最远）的类星体PKS2000-300： mv=19，z=3.78（记录已被取代，并不断刷新中！）。 不过在1986年后，发现越来越多更大红移的类星体，其中约有30个z值超过4的；最近的报告（1990年）指出，PC1247+3406的z值为4.90。值得一提的是，类星体的数目似乎以Z=2左右为分界；红移小于2的随着z值增大，数目也越多，而红移大于2的，分布趋势则相反，z值越大的类星体数目越小。 最早发现类星体巨大红移现象的，是M.Schmidt在分析3c273光谱时顿悟的；他感觉那些强烈的发射谱线相对排列顺序与氢原子光谱的几条谱线很相似；不同的只是整个光谱都向红端（长波）移动了一大截。 类星体的红移量是如此的巨大，我们不能只是以简单的哈勃定律（距离d与z值成正比）来决定它的距离；而必须以广义相对论为基础的宇宙模式来解释它。【与星系的关系】 类星体的绝对星等Mv在-25-33等之间（由哈勃常数Ho=50km/sMpc推算），这可推论出其光度在1012-1014L之间（约4*1038-1041W），这代表类星体是宇宙最亮的天体；它们是遥远活跃星系的极亮核及塞佛特星系、N星系及电波星系强烈活动的延续。这些的星系的轮廓只有在最近的类星体3C273的光学影像中被辨认出，呈现模糊、扩张、云雾状的斑点；通常星系被比它亮很多的核的光芒所掩过，而呈现类星体的现象。只有到最近，以极灵敏的CCD侦测器及现代影像扩大技术，这才比较有可能测出那些z0.5的类星体及和它有关的星系（因z值越小之类星体距离越近，与其有关之母星系才不至于太暗）。减去类星体光度后的星系绝对星等在-21-23等之间，是直径40-150kpc的椭圆星系或漩涡星系。观测结果认为有强电波辐射的类星体可能属于椭圆星系，而无电波类星体则属于漩涡星系。 此外，在某些类星体中，其分立的子电波源间出现分离的相对速度居然快过光速的超光速运动现象！例如3C273；由巨大天线阵（VLA）从1977年到1980年，以波长2.8cm的无线电波波段观测结果显示，其分立两子电波源间分离速度高达11倍光速。 虽然，光速是物体运动速度的极限也是能量传递速度的极限；但这种看似不可思议的超光速现象，在视觉上却有可能造成超光速的现象。例如，在夜晚将探照灯射向高空，由于云层的反射，天空会出现亮点；当地面的探照灯缓慢转动时，在高空的亮点却以极快的速度在移动。如果这云层够高，亮点的速度甚至可以超过光速。以这模型来解释上述类星体中的现象，认为是由类星体中心母体喷出两股相反方向的粒子流（相当于探照灯的光），它照在星际介质上（相当于高空的云），从而激起电波辐射（相当于亮点）；因此，只要中心母体有小小的摆动，粒子流照射所激起的辐射区就会迅速的移动；如此看来，这两辐射区相离速度超过光速就大有可能了。【主要观测特点】 类星体在照相底片上具有类似恒星的像，这意味着它们的角直径小于1。极少数类星体有微弱的星云状包层，如3C48。还有些类星体有喷流状结构。类星体光谱中有许多强而宽的发射线，包括容许谱线和禁线。最经常出现的是氢、氧、碳、镁等元素的谱线，氦线非常弱或者不出现，这只能用氦的低丰度来解释。现在普遍认为，类星体的发射线产生于一个气体包层，产生的过程与一般的气体星云类似。类星体的发射线很宽，说明气体包层中一定存在猛烈的湍流运动。有些类星体的光谱中有很锐的吸收线，说明产生吸收线的区域里湍流运动的速度很小。类星体发出很强的紫外辐射，因此，颜色显得很蓝。光学波段连续光谱的能量分布呈幂律谱形式，为辐射强度，v为频率，为谱指数，常大于零。光学辐射是偏振的，具有非热辐射性质（见热辐射和非热辐射）。另外，类星体的红外辐射也非常强。类星射电源发出强烈的非热射电辐射。射电结构多数呈双源型，少数呈复杂结构，还有少数是致密的单源，角直径小于0.001，至今都未能分辨开。致密源的位置通常都与光学源重合。射电辐射的频谱指数平均为0.75。一般，0.4的称陡谱；0.4的称平谱。陡谱射电源多数是双源；平谱射电源多数是致密单源，它们的厘米波段辐射特别强。类星体一般都有光变，时标为几年。少数类星体光变很剧烈，时标为几个月或几天。从光变时标可以估计出类星体发出光学辐射的区域的大小（几光日至几光年）。类星射电源的射电辐射也经常变化。观测还发现有几个双源型类星射电源的两子源，以极高的速度向外分离。光学辐射和射电辐射的变化没有周期性。类星体的发射线都有很大红移。迄今为止，观测到的最大红移为3.53（OQ172）。对于有吸收线的类星体来说，吸收线红移z吸一般小于发射线红移z发。有些类星体有好几组吸收线，分别对应于不同的红移，称为多重红移。例如，类星体PHL957的发射线红移为2.69，吸收线红移有五组：2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。近年来的观测表明，有些类星体还发出X射线辐射。【巨大红位移之谜】 根据同步电子辐射原理推论出，类星体中黑洞质量-108M，所有辐射能（光度）-1039W1013L。根据相对论E=mc2推算其寿命约108年。推算出如此巨大能量之结果，使得一些天文学家质疑：决定距离的基础是否为哈勃红移关系？ 一般认为红移所代表的可能性有三种： 哈勃红移 越远的星系红移效应越大；类星体是目前所发现的最远的星系，它可能代表宇宙的边缘或最早的宇宙。 引力红移 就是从远离强引力场的地方观测，谱线会向长波的方向移动；但需要的引力场极大（约一亿个太阳质量的黑洞），且造成的谱型与类星体的不符。 局部红移 认为可能是某些星系高速喷出物质所造成之局部现象（与上述视线之超光速原理相同）；支持的证据是，很多星系及类星体常成双或成群出现，而它们之间的红移值截然不同。反对的说法是，也有不少成群协同的类星体、星团和它们的母星系有相同的红移量。 其中以支持哈勃红移理论的证据最为有力。 寻找红移与星系相近的低红移类星体： 以z0.5为范围，果然找到很多与椭圆或漩涡星系有关而红移相近的类星体；而高红移星系实在太暗，难以测出，不适用此法。 双胞胎类星体的证据： 1979年D.Walsh,R.F.Carswell和R.J.Weymann吃惊的发现类星体QSO0957+561A及B不但距离极近（5.7），星等同样是17等，z值同为1.41，甚至完全相同的光谱。令人怀疑他们根本是同一天体，只是被重力透镜影响光线偏折而呈二重像。后来果然在类星体B旁发现一模糊的云雾，测量结果发现它是造成此光学二重像效应z=0.39的中介星系（介于我们与此类星体之间）。此发现意义极重大，不但印证了爱因斯坦广义相对论中重力透镜的预测，而且证明红移大（z=1.41）之类星体在红移小（z=0.39）星系之后，更支持了哈勃红移的理论。 重力透镜造成的光变： 当中介星系转动时，由于重力的作用，使其后方类星体的光度发生变化；理论上，我们可从观测到的类星体光变时间及影像空间角度，去推算类星体距离，再去印证哈勃红移所推算之距离是否正确。可惜，在类星体与我们之间常有无数物质，造成引力的多重影响，而不易以此法测出，有待将来进一步的改良观测技术。 吸收线的支持： 类星体中吸收谱线所测得的Zabs与发射谱线的z值不同，一般是ZabsZ；如果发射线z值是代表类星体的位置(距离)，则其吸收线之Zabs则是类星体和我们之间许多的星际间物质吸收所造成(如图一中L森林区，就是L线被不同距离物质吸收，所呈多重红移之结果)。当(Z-Zabs)/Z0.01，代表是类星体和我们之间许多星系外部的洞区所造成。 此外，我们在高红移类星体吸收线中找到低红移星系（及类星体）之吸收线系统，而在低红移星系吸收线中找不到高红移类星体之吸收线，这可说明高红移星体的确是在低红移星系（类星体）的后面。 另外，一种很像类星体的怪东西，在1929年被发现并定名为BL蝎虎座天体；它的特征就是几乎没有特征。光度变化不规则，只有连续光谱，测不到它的谱线（可能太弱了）。因此，它的距离也很难定出。它那属于非热性之连续光谱在可见光部份比类星体陡。目前已发现100个左右。 到底类星体是个什么样的天体呢?它的外型像恒星，光谱像塞佛特星系，电波性质像电波星系？而目前的认定是，它是宇宙在大霹雳后，最先形成的“星系”前身。但无疑的，它是一种非常活跃的天体；如果宇宙红移理论确实是对的，那类星体对於我们宇宙将扮演极重大的角色；它代表的是最远，最古老的宇宙。因此能从侧面映整个宇宙的演化。也由於它高度的亮及神秘的吸收线，更是我们研究宇宙中介物质（介于我们和宇宙边缘之间）的最佳利器。最新解释 类星体是一种光度极高、距离极远的奇异天体。越来越多的证据显示，类星体实际是一类活动星系核(AGN)。而普遍认可的一种活动星系核模型认为，在星系的核心位置有一个超大质量黑洞，在黑洞的强大引力作用下，附近的尘埃、气体以及一部分恒星物质围绕在黑洞周围，形成了一个高速旋转的巨大的吸积盘。在吸积盘内侧靠近黑洞视界的地方，物质掉入黑洞里，伴随着巨大的能量辐射，形成了物质喷流。而强大的磁场又约束着这些物质喷流，使它们只能够沿着磁轴的方向，通常是与吸积盘平面相垂直的方向高速喷出。如果这些喷流刚好对着观察者，就能观测到类星体。 宇宙间的-切物质都在运动中。遥远的星系也在运动着，它们都在远离我们而去。例如，室女座星系团正以大约每秒1210公里的速度离开我们，后发座星系团约以每秒6700公里的速度离开我们，武仙座星系团约以每秒l0300公里的速度飞奔而去，而北冕座星系团离开我们的速度更大，大约每秒21600公里。星系为什么要离开我们?我们又是怎么知道它们在运动呢？ 在生活中我们都有这样的经验：在火车站站台上，一列火车呼啸着向我们奔来，汽笛的声调越来越高，当火车离开我们时，汽笛的声调逐渐降低。这是什么道理呢？1842年，著名的奥地利物理学家多普勒首先阐述了造成这种现象的原因。他指出：声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，z后人把它称为“多普勒效应”。 多普勒效应不仅适用于声波，而且也适用于光波。一个高速运动的光源发出的光到达我们眼睛时，其波长和频率也发生了变化，也就是说它的颜色会有所改变。虽然天文学家可以利用这一原理测量天体的运动，但是在一般情况下，天体相对于观测者的运动速度与光速相比是微不足道的，因此光源颜色的变化很难测定。 星系是巨大的恒星集团，但由于它们离我们非常遥远,每个星系往往只能在大望远镜拍摄的底片上看到一个微弱的光点。第一个观测和测定星系光谱的天文学家是美国洛韦尔天文台的斯里弗。l9121925年，他拍摄了40个星系的光谱照片，除了两