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。
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。
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。
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。
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。