一个新射电源引发的争论:再看脉冲星的发现*

周丽晓

(中国科学院大学 人文学院,北京 100049)

0 引言

1967年,英国剑桥大学著名的射电天文学家安东尼·休伊什(Antony Hewish)研究团队使用行星际闪烁阵列望远镜在射电波段发现第一颗脉冲星,即射电源CP.1919,相关论文并于1968年在《自然》(Nature)上发表.[1]自此,这为天文学和天体物理学开辟了一个非常重要的研究领域,至今仍活跃在科学前沿.

关于这一重大科学发现,国内外学者已有不少研究,主要涉及发现权确立、诺贝尔奖之争、科学意义、发现者个性与故事,[2-6]以及近期发表的科学与技术因素分析[7]等内容.脉冲星的发现开创了天文学领域一个重要的研究分支,并且奠定了现代天体物理学恒星演化理论的基础和重要地位.这样一个重大科学成就在科学史上所能揭示的问题与意义远非这两点,它还可以在很多方面激发人们的认识和思考.2013年,英国天文学家约翰·彭尼(Alan John Penny)从地外生命搜索的角度重新讨论了脉冲星的发现过程.[8]受其启发,作者从科学家如何通过良性争论促进科学新知识的产生为视角再次考察脉冲星的发现.在当时的情境中,休伊什等人从发现奇异脉冲信号到发现脉冲星,实际上经历了诸多关于对脉冲来源的多种可能性的探讨和排除.作者通过对当时讨论不同可能性的人物和内容的研究,认为脉冲星的发现伴随着人工信号、干扰噪声、小绿人、脉冲星、中子星等争论而不断向前发展,也正因为这些良性争论而推动人们逐步解开对辐射出奇怪脉冲信号的射电源的疑惑.除此之外,这场由一个异常的新射电源引起的争论,通过对小绿人的猜测和研究,促使科学家们对地外生命探索中的新问题给予了关注和思考.这些问题正是二十几年后地外生命探测协议和应答协议中所讨论的内容.

1 休伊什团队探讨奇特脉冲的多种可能性

当时休伊什团队成员有乔瑟琳·贝尔(Jocelyn Bell Burnell)、托尼(Tony)、斯科特(Scott)、柯林斯(Collins)和约翰·皮尔金顿(John Pilkington)等人.他们是如何发现那个奇怪的射电源信号的呢? 那么发现这个崭新、奇特的信号后又是如何反应的呢?

休伊什教授当时为了进一步研究行星际闪烁以及提升其测量准确度,并通过高精度测量区分类星体,在1965年获得资助.他当时在穆拉德射电天文台设计建造了专门的大型射电望远镜——行星际闪烁阵列.这是当时同样波段中最大的望远镜,直到1967年完工.休伊什指导的研究生贝尔一直在参加望远镜建造工作,同年7月开始调试设备,并负责望远镜运行、观测和数据分析.观测到6～8周时,她敏感地发现在观测记录上出现一些从未见过的奇怪信号.[9]4这些奇怪的信号会是什么呢? 强烈的好奇心驱使休伊什团队开始不断地对此信号展开各种猜测、分析与讨论.

贝尔认为这些信号特征既不像闪烁源,也不像人工干扰信号.[9]4当时她注意到这些信号的原因就是没想到在离太阳这么远的地方会有闪烁.贝尔推测要么是很强的源,闪烁很小,在3C 表中;要么是很弱的源,角径很小,闪烁很大.但这又不是一个3C源,所以很可能是一个极端小角径源,几乎是一个点源.了解一个点源的闪烁变化很有必要性且充满科学意义,所以贝尔期望这个源能够提供更多的信息.实际上这个源相当接近望远镜的探测极限.[10]214为使记录的数据信息更加详细,贝尔及时调整了观测方法,即用更快的纸带记录速度去放大时间坐标.1967年10月至11月底,数据记录清楚地显示出一系列相隔1.33秒的等间隔脉冲信号.贝尔便立刻联系了休伊什.休伊什这时的第一反应是人造信号,直到亲眼看见才给予高度重视,并且领导团队开始研究.

托尼发现脉冲信号遵循很精确的恒星时,[9]5不过此时他们依然怀疑可能是人为的,因为1.33 s对于任何一个像恒星一样大小的天体来说都太快了,而且也不可能来自地球的任何仪器或设备,因为保持恒星时太难了.通过分析验证,他排除了反射到望远镜的雷达信号,以及位于特殊轨道的卫星因为有大的波纹金属建筑物导致的异常的可能性.

斯科特,也就是“脉冲星发现”论文的第四作者.他认为信号的确不像是自然的,猜测可能是因为仪器损坏而导致的干扰.在他和柯林斯用另一台天文望远镜观测到这些脉冲后,排除了仪器影响的可能性.此时他们还分析了信号所携带的信息,但并没有发现特别的内容.

皮尔金顿的主要工作是测量信号的色散和计算表明该射电源位于太阳系外银河系内.他是“脉冲星发现”论文的第三作者,曾讨论说“我们正在探测一个微弱的、不可靠的信号,可能来自人工干扰、仪器异常,也可能是自然信号、外星人信号等”.[8]312月初,他还发现这个信号只在窄频带出现,扫频下降,这在自然源中从未见过,更像是军方雷达信号.窄带和扫频率意味着信号源要小于5000 km.[8]3

由于脉冲信号的奇特性无法用当时熟悉的已有科学理论解释,便猜测这些脉冲来自另一个文明,并亲切地将其称为“小绿人”.关于这种可能性的讨论,团队成员也各有理解.斯科特后来解释说,“小绿人”不仅指地外生命,而且还是一个代表任何非自然辐射源的术语,如同小鬼,时常被用来指仪器故障导致的原因.[8]3贝尔也对此做出说明:我们并没有真正地认为我们发现了外星信号,并去研究验证,不过确实有这种想法,这种可能性不能被排除.[8]5如果这是真的,那么当这些“小绿人”在他们的星球上绕他们的恒星公转时,脉冲将会显现多普勒红移.在逐步排除干扰信号、人工信号等可能性以及讨论可能是外星文明信号时,休伊什写信给其他天文台询问10月以后是否有同样的观测在进行,所有天文台都回答没有.[11]362这时,休伊什开始精确地测量脉冲周期,检测是否存在多普勒红移,以验证团队的诸多猜想,但结果表明是地球在绕着太阳的轨道上.当时与贝尔坐邻桌的克雷格·麦凯(Craig Mackay)事后评论说,外星文明的解释被休伊什团队在早期认真地讨论过,觉得整个发现中的“小绿人”部分被夸大了.[8]4

2 休伊什与布拉德、赖尔对小绿人的讨论

射电源脉冲的本质没有被明确前,休伊什曾和不少同事、同行提到过关于“小绿人”的看法.如1967年11月29日,休伊什在给皇家格林尼治天文台工作的唐纳德(Donald Lynden-Bell)写信说:“我对来自小绿人的信号很困惑”.[8]3唐纳德毕业于剑桥大学,是研究恒星运动,星系结构、形成、演化、分布和类星体等领域的天体物理学家.与休伊什讨论较多的两位科学家分别是爱德华·布拉德爵士(Sir Edward Buallard)和马丁·赖尔(Martin Ryle).

1968年,休伊什回忆当时的情景时写道:“日子一天天过去,我们的激动之情日益增加.我们发现脉冲源自一个不大于行星的天体,离我们相当近,位于银河系内最近的恒星中.这些脉冲是来自外星文明的某些信息吗? 由于对此信号缺乏明确的自然解释,这些脉冲看起来那么像人造信号,外星文明的可能性也被考虑其中.”[8]3他在自传中也写道:“所有的想法都曾经在我大脑中闪现过,虽然它可能是人造的信号,我也需要认真地考虑.我曾测试过小绿人的情况.有一天我在剑桥大学丘吉尔学院吃午饭时,曾对坐在身边的地球物理学家爱德华·布拉德爵士说过这些情况.他说如果脉冲是窄带的,很可能是智能信号.我们还认真地测量了带宽,确实是窄带,同时还讨论了这个智能信号是否来自行星以及是否在轨道上绕着一颗恒星.”[8]3-412月11日,休伊什开始进行相关的时间测量.

12月中,随着研究的深入,这个信号像外星文明的方面更多了.脉冲强度不同,有时长时间不出现,这对天文源的变化来说太不同寻常,于是关于外星文明的解释日益增多.除布拉德爵士,与休伊什讨论小绿人问题最多的要数赖尔了.赖尔是休伊什的同事,也是剑桥大学射电天文学领域的第一个教授,成立了穆拉德射电天文台.两人于1974年分别因为发展射电天文观测技术和脉冲星的发现,被授予诺贝尔物理学奖.20世纪70年代,赖尔把大部分精力从天文学转移到他认为更重要和紧急的社会与政治问题.关于“小绿人”的说法,两位教授均给予了很多的思考和讨论.

赖尔当时是射电天文台的负责人,他曾说:“我的第一感觉是外星人正在尝试与我们建立联系”.[8]3两人在圣诞节前还商量如果是外星信号,如何宣布? 他们觉得不能轻易发布,应该通知皇家学会,让学会处理.[8]4-5他们讨论最多的是“小绿人”是否会带来灾难.听说赖尔确实给国际天文学联合会(International Astronomical Union,简称IAU)写了信,不过没有在IAU 档案中找到.贝尔也说过圣诞节前去找导师时,刚好碰到一个高级别会议,正专门讨论如何发布.[9]5-6当时参加会议的还有赖尔、朔伊尔(Peter Scheuer)和约翰·沙克夏(John Shakeshaft)等.我们并没有真的认为收到外星信号,但脑海里的确有这个想法,因为我们没有证据证明这是自然射电辐射.若是真探测到外星生命信号,该如何负责任地发布呢?应该先告诉谁? 这些问题在那天下午并没有得到解决.休伊什获奖时还强调当时必须面对智能信号的可能性.[12]他知道只要连续测量时间,将会发现绕轨道运行的多普勒红移.由此他们停止讨论,开始静静等待测量结果.事后休伊什毫无疑问地说,12月的那几个星期是他一生中最激动人心的日子.

赖尔真的认为有可能是外星信号,他在皇家格林尼治天文台曾说过“小绿人”的事情.1968年2月9日,他给在格林尼治天文台工作的英国天文学家伍利(Sir Richard Woolley)的信中也提到“小绿人”和自然源的两个解释,还说如果是“小绿人”的话,这个消息应该保密.当时他们也确实把消息限制在穆拉德射电天文台的几个相关人员内部.就连在剑桥大学另一部门的天体理论学家霍伊尔(Fred Hoyle),和在休伊什隔壁办公的天体物理学家朗盖尔(Longair),也是在1968年2月20日组织的专门发布脉冲星发现的研讨会上才知道.

虽然当时关于地外生命的射电源概念并不新鲜,并且早在1959年科科尼(Cocconi)和莫里森(Morrison)给《自然》的信中就提到寻找外星文明射电信号的想法,而且也有射电天文台开始寻找地外生命.但是休伊什、赖尔讨论到的内容——如果真探测到一个智能信号,如何去验证结论,如何去宣布,如何判断这个发现是否危险等.涉及了23年后建立起来的SETI(Search for Extraterrestrial Intelligence,缩写为SETI)探测协议(1990年),和37年后建立起来的SETI响应协议(2004年),这两个协议主要用来指导团队探测到地外生命信号时如何处理.休伊什和赖尔在20世纪60年代探讨发布时的策略、宣布是否比保密好等问题,无疑引起了人们对地外生命探索中一些重要内容的思考和关注.当时媒体给予“小绿人”的关注就特别多,即使是被证认为中子星后,媒体的话题仍然集中在外星文明和女性发现者方面.20世纪70年代,赖尔从天文学研究转向更重要、更紧急的科学与社会问题后的一些行动,也或多或少受到了这场争论的启发和影响,比如努力推进天文界与政府的合作等.

3 朔伊尔、贝尔、霍伊尔指向自然源的解释

伴随着休伊什团队对脉冲射电源更多的研究和讨论,除了“小绿人”的猜测比较引人注意外,朔伊尔和霍伊尔关于脉冲源是一个自然源本质的预言也在同时向前推进.

朔伊尔于1951年加入剑桥大学射电天文研究组.1968年12月,天文学家朔伊尔对奇怪信号的解释开始指向一个自然源.他指出,在射电源周围的星际介质或其他介质中的闪烁,可以产生脉冲强度的变化,而且会长时间看不到.同时,因为无线电波速度随着频率降低而下降,在星际介质中的色散,会像这个频率的自然源一样,把一个最初宽带的脉冲扩展成窄带扫频信号被观测到.如果脉冲来自一颗环绕恒星运行的行星,很可能是外星文明的所在地,严格守时的脉冲显示不出漂移迹象.[8]6

休伊什团队也随着观测进展,从“不像自然源”转变为“确认是自然源”.除了在1967年8月至11月底发现的第一个脉冲源CP.1919 外,贝尔在圣诞节前又看到了来自仙后座的同样奇怪的脉冲信号,为一系列等间隔脉冲,相隔1.2 s.[10]222这使贝尔认为,不可能有两个“小绿人”两次选择同样错误的频率在同一时间向地球发信号.12月21日-1月6日一共发现了CP.1133、CP.0834、CP.0950 三个同样的源,经过测量,三个脉冲源来自太空不同的方向.至此才确认是一个自然源.其实这四个源在发现之前早已存在于记录仪的图表之中.CP.1919最早的记录是在8月初,能量峰值在12月中,[10]220在8月6日的记录中,该源被标记为“干扰”[11]359;CP.1133和CP.0834在7月初已有记录,能量最高值在11 月中;[10]225,233CP.0950最早记录在8月中旬,能量最高值位于11月底12月初.[10]233正因为更多的人关注这个奇怪射电源和脉冲信号,并且展开了众多可能性的良性讨论,所以才推动进一步仔细搜索和发现同样源的研究.

论文发表前几天,休伊什在专门的研讨会上宣布其发现成果时,霍伊尔教授当场断言这些脉冲射电源一定是超新星遗迹,在场人员还有赖尔、朔伊尔和约翰·莎克夏等.霍伊尔教授研究领域非常广泛,提出了稳态宇宙学理论,创立了剑桥大学理论天文学研究所,对英澳望远镜规划和建设贡献很大.其中和他同时提出稳态宇宙学理论的戈尔德(Thomas Gold),就是论文发表后证明脉冲星为中子星的天文学家.霍伊尔和戈尔德都认为诺贝尔奖获得者应该包含贝尔,因为他们认为注意到这些脉冲源是发现脉冲星的关键一步.[11]358,363

4 休伊什团队的论文与戈尔德的中子星证认

由一个奇怪的新射电源引发的争论,持续了几个月后,对这一观测事实进行科学解释的合理性终于开始明朗.

1968年1月的第一个星期,由于朔伊尔的自然源解释和更多类似射电源的发现,休伊什团队排除了“小绿人”的可能性.之后休伊什设想了一个关于自然源的解释——中子星,并着手撰写论文.1968年1月底完成论文《对一颗快速脉动射电源的观测》,[1]709将其投稿到《自然》.内容基于连续长时间对新射电源的观测,文中称这个源为快速脉动射电源,并没有确定源的性质,也没有直接称其为脉冲星或者中子星,同类源被认为是奇怪的新一类的射电源.文中对异常脉冲的理解描述为:穆拉德天文台记录到来自某脉动射电源的不平常信号,该辐射好像起源于银河系内天体,可能与白矮星或者中子星震荡有关.[1]709其内容详细分析了脉冲信号的特点和各种参数,包括周期重复出现且维持精确;信号出现的位置和流量密度;时变特征;瞬时带宽和频率漂移;脉冲重现频率和多普勒频移;射电源本质等.

1968年2月24日论文发表.同年3月,休伊什认为该源是介于白矮星与中子星之间的一类新类型的天体,将其命名为“脉冲星”,即“pulsar”,是“pulsating star”的混成词.这也是参照了人们对类星体的命名——“quasar”为“quasi-stellar object”的简称.

后来关于脉冲星的本质的解释观点,大部分落在中子星理论上.这主要有以下原因.其源头是德国天文学家沃尔特·巴德(Walter Baade)、瑞士天文学家弗瑞兹·兹维基(Fritz Zwicky)在1934年提出的假说模型:[13]认为超新星呈现了从普通恒星到中子星的转变,中子星的特征是极端致密、直径很小.其理论预测当大质量恒星死亡时,会塌缩成极度致密的中子星.接着是美国理论物理学家罗伯特·奥本海默(J.Robert Oppenheimer)、加拿大物理学家弗尔科夫(George Volkoff)在1939年计算出了中子星的半径和质量.幸运的是,意大利天体物理学家弗兰科·帕西尼(Franco Pacini)在1967年11月提出如果中子星旋转,会具有大磁场,也一定伴随电磁波的发射.[14]

1968年5月,戈尔德发表在《自然》上的论文中详细证认了所发现的脉冲射电源起源于高速旋转的中子星[15].认为中子星的旋转可以合理地解释新发现的脉冲射电源的稳定频率,已知的理论中还没有哪个天体能够具有1.33～0.25 s这样精确、短快的周期,预测可能会发现相同的、更高频率的、更多的这类射电源.正如所料,1968年末就发现了蟹状星云脉冲星,至此证实了脉冲星是中子星的本质.

表1列出了从1967年7月贝尔开始分析观测数据,到1968年5月戈尔德证认脉冲星为中子星期间发生的重要事件,可以清楚地看到这一重大科学发现是怎样一步一步向前发展的.从最初注意到奇怪信号,到人工信号、各种干扰、“小绿人”外星信号、自然源、超新星遗迹、中子星等多种可能性猜测和讨论,再到一一排除和证认,这充分体现出争论、交流对解密射电源的促进作用和科学家不断思考的探索精神.

表1 脉冲星发现过程的重要事件Tab.1 An important event in the discovery of pulsars

续表1 脉冲星发现过程的重要事件

5 结语

通过以上对脉冲源的多种理解、解释及其变化的考察,可以看出,当科研工作者面对一个从未见过的奇特的射电源信号时,他们利用已掌握的知识、经验、方法和工具不断地去讨论、验证.表明一个新射电源引发的良性争论,一方面推进了对脉冲星科学本质的认识,奠定了恒星演化理论的基础;另一方面也激起了人们当时对地外生命探索这一重要科学问题的关注和思考,引起了新问题的研究,促进了该领域的发展.这种科学共同体之间的交流与讨论,不仅显现出了科学家实事求是、积极探索的科学精神,也彰显出了研究共同体面对新问题时协助合作的科学文化氛围.科学精神和科学文化都是科学进步所必需的,脉冲星发现中的争论可以为当今的科技创新提供一些思路和启发.

作者考察过程中发现,虽然关于脉冲星发现的研究至今很多,但仍然有不少值得研究的内容.比如脉冲星的发现及其过程中的争论对赖尔、霍伊尔等参与其中的科学家产生了怎样的影响? “小绿人”的绰号究竟是如何来的? 在科学家们证认脉冲星为中子星后,为什么媒体依然倾向于关注“小绿人”的信息? 媒体当时对“小绿人”和女性工作者的报道,对大众和相关研究者产生了怎样的启发和影响?

致谢:感谢中国科学院大学人文学院孙小淳教授在本文研究过程中给予的思路启发、讨论和具体指导意见,对研究进展和论文撰写有很大帮助.