脉冲星及引力波的发现

脉冲星是由英国剑桥大学卡文迪许实验室的休伊什领导的研究小组的研究生贝尔首先发现的，她在夜间使用射电望远镜观测时，记录到了狐狸座里有一组很强的脉冲信号起伏。它虽然时强时弱，但每隔23小时56分准时出现，因此可以确认来自太空。休伊什等人一度设想这个很有规则的脉冲信号可能是来自地外文明发出的信号，于是戏称为“小绿人”。当时发现了好几个这样极其规律的脉冲信号源。经过一年的研究，他们终于确认了这种射电源的是一种奇异的天体：高速自转的中子星。

这个结论立即引起了天文学和物理学界的轰动，因为虽然早在1930年代，随着相对论和粒子物理学的发展，天文学家巴德和茨维基就提出可能存在极其致密的中子星，它的密度可能达到每立方厘米1亿吨，但是一直没有得到观测证实，而且这样奇异的天体是否存在人们也不敢相信。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。

脉冲星的产生是恒星演化末期的一种残骸。这类恒星坍缩之后电子被压入原子核，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。由于自转角动量守恒，因此坍缩后半径极小的中子星自转速度极高。带电粒子会在极强中子星磁场中运动，形成了同步辐射，产生极强的射电波束。因此脉冲星又被誉为宇宙灯塔。由于脉冲具有很强的规律性，在未来跨越星际的宇宙航行中，它将成为航天器的定位标志，成为名副其实的“灯塔”。

休伊什因为发现脉冲星和发展综合孔径技术的赖尔一起获得了1974年的诺贝尔物理学奖。就在这一年的年底，美国普林斯顿大学的拉赛尔· 赫尔斯和约瑟夫·泰勒发现了射电脉冲双星PSR 1913+16，即两颗脉冲星组成的双星系统。它们之间的距离与太阳半径差不多。经过对双星系统的轨道参数以及各种相对论效应十年观测之后，他们发现双星绕转周期的变化速度与广义相对论预言的引力波辐射导致的能量损失完全一致。这是引力波存在的第一个间接定量证据， 是对爱因斯坦的广义相对论的一项重要验证，因而获得了1993年的诺贝尔物理学奖。

这次获奖又极大地促进了对引力波的直接寻找，因而才有了2016年初引力波的直接发现。

从射电望远镜诞生至今，人类共发现了约2500颗脉冲星。如果FAST望远镜的工作时间全部用于观测脉冲星，它一年时间内就有望将这个数量翻倍。FAST还有可能会发现一些前所未见的脉冲星现象，比如说脉冲星和黑洞组成的奇特双星系统，这些研究对于致密星演化及其相对论效应会产生重要影响。

确认宇宙大爆炸

爱因斯坦用他的广义相对论方程计算最大的研究对象“宇宙”时，他惊讶地发现，方程竟然没有稳定解，因此在1917年发表文章时，他引入了一个“宇宙学常数”来平衡引力，让方程计算出的宇宙“稳定”下来。

但是过了12年，爱因斯坦发现自己犯了此生“最大的一个错误”，美国天文学家埃德温·哈勃发现，几乎所有的星系都在离我们远去——宇宙恰恰不是稳定的，它正在膨胀！不过，虽然有些天文学家们接受了哈勃这个伟大的、颠覆性的发现，却没有多少人真正把它当回事儿，也不知道应该做些什么。

在1948年前后，即使物理学伽莫夫量子物理学讨论早期宇宙演化的时候，在科学界也没有得到响应。伽莫夫和他的学生认识到，历经几十上百亿年的宇宙演化之后，早期宇宙的辐射能量（分布符合黑体辐射），温度应该冷却到微弱的绝对零度附近，这是第一次对宇宙微波背景辐射的科学预言。

直到1964年，苏联的泽尔多维奇、英国的霍伊尔和泰勒、美国的皮伯尔斯等人的研究，再次发现宇宙应当残留有温度为几开（开尔文，绝对温度单位）的背景辐射，并且在厘米波段上应该是可以观测到的。正当天文学家们纷纷开始着手研制低噪声天线以寻找这种残存的黑体辐射时，美国贝尔实验室的两位科学家——物理学家阿诺·彭齐亚斯和无线电工程师罗伯特·威尔逊却在无意间率先发现了这个背景辐射。

彭齐亚斯和威尔逊的目的与央斯基当年的工作有些类似，是为了改进卫星通信，为此建立了高灵敏度的号角式天线系统。他们将天线对准天空方向进行测量，发现在波长为7.35厘米处一个各向同性的信号，与其他干扰源不同，这个信号的奇怪之处是它每天每时的强度都是相同的，不随季节变化而变化，肯定与地球的公转和自转无关。他们怀疑这个信号来源于接受天线系统本身（我们周围的任何物体都存在微弱的射电辐射），然而清理了天线上的鸽子窝和鸟粪之后，噪声仍然存在。这个问题困扰了他们一年多的时间。

在离贝尔实验室不远的普林斯顿大学里，罗伯特·迪克和皮伯尔斯等科学家组成的研究小组听到了彭齐亚斯和威尔逊的工作情况，意识到这是一个重要的科学发现被他们无意中发现了。1965年，两个研究小组联合《天体物理学报》发表了文章，贝尔实验室的文章是《在4080兆赫上额外天线温度的测量》，普林斯顿大学的文章标题是《宇宙黑体辐射》为标题发表了一篇论文，对这个彭齐亚斯他们的发现给出了正确的解释，这个额外的辐射就是宇宙微波背景辐射（微波是射电波的一种）。

尽管彭齐亚斯和威尔逊发表的论文只有短短600字，但却震撼了整个天体物理学界和理论物理学界，因为微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸理论提供了强有力的观测证据，从而支持了哈勃在1929年发现的宇宙膨胀。彭齐亚斯和威尔逊也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

对宇宙微波背景辐射的研究一直持续到今天。随着越来越精密的测量，天文学家从这些射电信号中，获得了关于宇宙早期演化的信息，它们解释宇宙是如何从早期近似绝对均匀的程度逐步演化到今天具有丰富团块结构的，从而揭示了星系、恒星甚至我们地球的根本起源。