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Sandbox Physics
从射电信号中辨认天体

天文 · 宇宙学 · 引力

Jocelyn Bell 没有丢掉的规则脉冲

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记录纸上的一小片杂痕,怎样变成一种新恒星?

  1. 留意记录纸上反复出现的杂痕
  2. 用快记录器分开脉冲
  3. 确认它随恒星经过天空
  4. 比较不同频率的到达延迟
  5. 找到更多源,检验恒星解释
这条信号不像巡天要找的随机闪烁。规则的节拍和固定的天空位置,让它值得继续追踪。

它不像巡天要找的闪烁

1967 年,剑桥研究生 Jocelyn Bell——后来大家熟悉的 Jocelyn Bell Burnell——正在检查新射电望远镜吐出的记录纸。她跟随 Antony Hewish 做研究,原本要找紧致射电源快速、随机的闪烁。可一小片杂痕反复回来,样子总不太对。她继续追查,最终用更快的记录器分出了约一点三三七秒一次的脉冲。

这台望远镜由架在田野上方的一大片天线和电线组成。地球自转时,天空从阵列视野里经过,仪器便能监看很大一片天区。它为快速闪烁设计的响应,也让意外出现的短脉冲留下了痕迹。

一条奇怪信号当然还称不上新天体。接收机也会听到电器和发射台的干扰。Bell 先认出它似曾相识,再翻回旧记录,确认它真的反复出现在同一片天空。

来源:[4][5][1]

快记录器把每一声滴答分开了

在普通巡天记录上,短时间内几次亮度变化可能挤成一团。让纸走快一些,信号就在时间轴上展开。团队从十一月起系统观察,看见一串串重复脉冲,间隔稳得惊人。

最初的快记录里,单个脉冲持续约零点三秒,相邻脉冲间隔约一点三三七秒。脉冲有多宽、多久来一次,是两回事。记录器若把过长时间内的信号混在一起,中间的空隙便会消失,规则节拍也会重新挤成一团。

每秒左右一声滴答,听起来像钟;奇怪的是,天空中竟有东西打得出这么快的节拍。体积巨大的普通恒星,来不及这样迅速地整体膨胀、收缩。信号把问题指向了更小、更特别的天体。

还得同时看两种时间:一次次脉冲相隔多久,以及每天几点能看到这个源。后者跟着恒星走。同一天区在日常钟表上会每天提前约四分钟经过,因为地球既在自转,也在绕太阳移动。

固定的天空方向让附近发射台的解释越来越勉强。再用另一台望远镜和不同设备检查,便能继续分辨信号究竟来自哪里。规则的节拍提供了线索,固定的方向又补上一条。

来源:[1][5]

低频脉冲来得更晚

脉冲还带着路途留下的痕迹:频率越低,到达越晚。恒星之间有稀疏的自由电子,会拖慢无线电波,低频受影响更大。这种随频率改变的延迟叫色散。

色散把信号同沿途物质联系起来。团队把它与天空位置、脉冲时间一起比较,判断源可能在哪里。一台接收机里的周期电噪声很常见;来自固定方向、跨频率又有规律延迟的脉冲,需要更具体的解释。

1968 年二月发表的发现论文署名为 Hewish、Bell、Pilkington、Scott 和 Collins。四月的后续论文又介绍了更多源。不同方向、不同节拍的源接连出现,大家逐渐面对的是一类自然天体。

来源:[1][2]

旋转的光束解释了节拍

发现论文还在讨论白矮星或中子星等致密天体,脉冲怎样产生尚未定论。中子星是大质量恒星留下的压缩残骸,把接近恒星的质量塞进直径几十千米的身体里,能比普通恒星转得快得多。

Gold 在 1968 年五月提出旋转中子星的解释:强磁场附近的辐射形成扫过空间的光束,像灯塔一样。光束每扫过地球一次,我们便收到一个脉冲。恒星转得平稳,接收到的亮度仍可以忽然升起、忽然落下。

这样,一声脉冲就是光束扫到我们的一次事件。若光束始终避开地球,同类天体也可能不出现在射电脉冲星巡天里。我们能看到哪些成员,还取决于观察方向。

来源:[3][4]

从发现者到天文时钟

1974 年诺奖授予 Ryle 和 Hewish,分别强调孔径合成与发现脉冲星中的关键作用。Bell Burnell 没有获奖。讲清授奖名单时,也应讲清谁先认出、追踪了那条信号,以及发现论文的完整作者。

起初令人费解的规则性,后来变成测量工具。天文学家把实际到达时刻与预测比较,能读出运动。在双星里,发射脉冲的星朝向或远离我们,脉冲间隔便周期性缩短或拉长;观察许多年,更细小的累计偏移还能揭示轨道变化。

这一切从一小片值得继续看的杂痕开始。把它沿时间轴展开,天空中就多了一种可以精读的钟。

来源:[6][4]

来源与阅读说明

发现论文由 Hewish、Bell、Pilkington、Scott 和 Collins 于 1968 年发表,原文仍在讨论致密星机制。Gold 的旋转中子星解释发表于同年五月;观测发现与后来的解释分开叙述。

  1. A. Hewish, S. J. Bell, J. D. H. Pilkington, P. F. Scott and R. A. Collins, Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source (1968)

    出版方摘要保留当时对致密星的不同解释;原论文索引文本用于十一月观测、初始约零点三秒脉宽、一点三三七秒间隔和色散。Cornell 副本为原文扫描,不是现代改写。 阅读托管原稿

  2. J. D. H. Pilkington, A. Hewish, S. J. Bell and T. W. Cole, Observations of some further Pulsed Radio Sources (1968)

    出版方摘要说明剑桥发现的四个源中的三个,发表日期为一九六八年四月十三日。

  3. T. Gold, Rotating Neutron Stars as the Origin of the Pulsating Radio Sources (1968)

    作者摘要把规则节拍归于中子星自转,并描述旋转辐射灯塔。论文发表于一九六八年五月二十五日,晚于发现报告。

  4. NASA Goddard, NASA Continues to Study Pulsars, 50 Years After Their Chance Discovery (2017)

    历史开头写明 Jocelyn Bell 的发现与一点三三七三〇秒脉冲;后文说明致密旋转灯塔与后续测量用途。文章未采用该页当年的脉冲星总数。

  5. University of Cambridge, Journeys of discovery: Jocelyn Bell Burnell and pulsars

    检索索引中的第一人称访谈片段用于研究生身份、认出重复杂痕和快记录器。整页读取返回四〇三;脉冲细节另对照发现论文与 NASA。

  6. Nobel Prize in Physics 1974, official citation for Martin Ryle and Antony Hewish

    官方索引中的授奖词区分孔径合成与发现脉冲星中的关键作用。本轮官方整页及按年 API 返回四〇三;获奖人另由剑桥机构史确认。

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