《黑洞藍調》:發現第一顆脈衝星的她,名字卻不在諾貝爾獎名單上

《黑洞藍調》:發現第一顆脈衝星的她,名字卻不在諾貝爾獎名單上
蟹狀星雲脈衝星的X射線/可見光波段合成圖像|Photo Credit: Optical: NASA/HST/ASU/J. Hester et al. X-Ray: NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.@Wikimedia Commons Public Domain

我們想讓你知道的是

儘管休伊什當初安排的是尋找類星體。讓人們比較難理解的是,獲獎名單中為什麼遺漏了約瑟琳.貝爾.伯奈爾的名字。我問她是否認為休伊什應該做點什麼,她的回答沒有一絲怨恨之意:「如果你得獎了,也不是由你來解釋為什麼你能夠獲獎。」她接著補充道,這個疏忽對她來說未必是壞事,她後來獲得了幾乎所有的獎勵、勛章、榮譽和盛讚。

文:珍娜.萊文(Janna Levin)

發現脈衝星

天文學家約瑟琳.貝爾.伯奈爾(Jocelyn Bell Burnell)對朗納.德瑞福的評價是:「他富有創造性,而且以此為榮。」為了學習物理學,約瑟琳從北愛爾蘭來到格拉斯哥大學,而且被隨意分派給德瑞福,做為她的大學專題指導教授。德瑞福經常把自己大腦裡的有趣想法,分享給指導的幾名學生,其中就包括催生休斯-德瑞福實驗的那些想法(不過,她當時並沒有意識到,德瑞福是在他位於鄉村的家裡後院完成這個實驗的)。但是,這些對學生們的考試成績沒有任何幫助。剛開始的時候,因為德瑞福不願意在學生們完成固態物理學作業時提供任何幫助,約瑟琳對他十分不滿。但是後來,德瑞福在基礎物理學上的深刻見解以及他的實驗天賦都讓她折服。

大學生時期得到德瑞福指導的約瑟琳畢業後取得了一些重要發現,並且反過來對他產生了影響。他給約瑟琳的評價是:「她在學生當中很明顯地出類拔萃……因此,我對她非常瞭解。」一九六○年代中期,約瑟琳前往英格蘭電波天文學的主要機構卓瑞爾河岸天文臺(Jodrell Bank)求職時,德瑞福還幫她寫了推薦信。但是,他轉述道:「卓瑞爾河岸天文臺不願意接受約瑟琳,因為她是女性。當然,他們的官方理由不是這個。約瑟琳非常失望。」為了凸顯其荒謬之處,他又補充了一句:「約瑟琳的第二選擇是去劍橋大學。你明白了吧?」他把這件事看成一個純屬偶然而又非常不錯的轉折。他笑著說道:「於是她去了劍橋大學,並且發現了脈衝星。你明白了吧?」

在她後來的職業生涯,約瑟琳.貝爾.伯奈爾轉而研究X射線天文學,參加了研製「羚羊」五號(Ariel 5)X射線天文衛星的英美合作小組。一九七四年十月十日清晨,「羚羊」號衛星成功發射,當天中午,脈衝星發現者被授予諾貝爾物理學獎的消息傳到了約瑟琳的耳裡。對她來說,這則消息有兩個特別意義。第一,諾貝爾委員會終於承認天文物理學是有資格獲得諾貝爾獎的物理學分支。一九二○年代,愛德溫.哈伯(Edwin Hubble)發起過一場運動,試圖改變天文物理學的學術地位,但是沒有成功。第二,她的名字沒有出現在獲獎名單上,這個獎項被頒給了安東尼.休伊什(Antony Hewish)和馬丁.賴爾(Martin Ryle)。

身為二十四歲的劍橋大學研究生,約瑟琳.貝爾.伯奈爾與她的導師安東尼.休伊什,一起致力於尋找類星體,即在地球上看像星星那麼小的明亮的電波源。在她於野外奔波安裝無線電天線的那個年代,類星體仍然被人們稱作似星體(quasi-stellar)電波源,而且這些電波源在人們眼中還是十分神祕的存在。無線電天線在發現類星體方面效果不錯,但在解答這些類星體的體積問題卻作用不大。此外,無線電天線還顯著地改變了天文物理學的發展進程。在大量圖表紙上記錄到的內容,除了被探測到的類星體外,還有許多頻率突變和異常現象。他們使用的圖表紙非常多,以英尺(編注:一英尺約0.3公尺)為單位來表示紙的數量。

約瑟琳.貝爾.伯奈爾一絲不苟地檢查了幾百(或者幾千)英尺長的圖表紙。大多數的異常都是人造光源或者某種形式的探測器干擾造成的。但是,有一個奇怪的訊號不斷出現。她最後認為,這些訊號肯定來自某種星體,而且她逐漸意識到她這個發現具有非常重要的意義。就像媒體經常報導的那樣,由於這個訊號很有規律性,圈內人為它的來源取了一個「LGM」的綽號,意指「小綠人」(little green men)發來的訊號。進一步的研究顯示,與這些聰明的「小綠人」文明所製造的時鐘相比,還有一些「時鐘」走得更加精準,它們就是後來發現的脈衝星。

脈衝星是高度磁化、高速旋轉的中子星。脈衝星的磁性強度超強,是地球磁場強度的數百萬至數兆倍,在極端情況下可達到數千兆倍。所有中子星的質量都不到太陽的兩倍,直徑不足三十公里,旋轉速度很快,每秒可以轉一圈至幾百圈。粒子經過磁場加速後,速度可以接近光速,輻射出強如燈塔光束的光。在這種由緻密核物質構成的近乎完美的球體高速旋轉時,這些光束也向周圍發射。眾所周知,一茶匙的中子星質量與地球上一座山的質量大致相仿。中子星表面的引力非常強,人在那裡會被液化,融入星體裡的緻密物質。因為重力效應非常強,中子星表面不會出現不平整的現象。一旦有山脈隆起,就會被引力拉平。在一顆典型的中子星表面,不平整的程度非常小,十公分的隆起就可被視為山峰。不過,具體情況取決於細節尚不得而知的中子星地殼。

中子星的旋轉有很強的規律性,因此會在數據流中產生固定週期的訊號。當中子星的光束以一定的時間間隔從地球表面掠過時,效果等同於時鐘極其精準的計時,在某些情況下,它的精準程度甚至超過最精確的原子鐘。當然,當約瑟琳.貝爾.伯奈爾於一九六七年發現第一顆脈衝星的時候,她可以做出兩個確定的推斷:第一,這一系列的脈衝訊號呈現出很強的規律性,每次間隔一秒多;第二,它們來自宇宙深處。

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Photo Credit: Astronomical Institute, Academy of Sciences of the Czech @Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0
2009年的約瑟琳・貝爾・伯奈爾

當數據中第二次出現這樣的訊號時,「那真是美好的一刻。」她回憶道。因為她知道,這種奇怪現象正顯示出一項重大發現的特徵,「一旦發現一個有規律的訊號,就會接二連三地發現更多有規律的訊號。」她找到了人類有史以來發現的前四個脈衝星。

一年之後,人們在蟹狀星雲的中心位置發現了一顆脈衝星。蟹狀星雲是超新星爆炸後拋射出的明亮殘骸。一○五四年,人類從地球上觀測到蟹狀星雲,並在歷史文獻中記錄下這個天文事件。這一點意味著:垂死恆星爆炸後遺留下來的核心,因重力塌縮而形成中子星。現在,人們推斷在我們的銀河系裡有上億顆中子星,其中有幾十萬顆是脈衝星。

成為諾貝爾物理學獎的得主,休伊什可謂實至名歸,正是在他這位指導教授的安排下,他的學生才會從事這項任務,儘管休伊什當初安排的是尋找類星體。讓人們比較難理解的是,獲獎名單中為什麼遺漏了約瑟琳.貝爾.伯奈爾的名字。我問她是否認為休伊什應該做點什麼,她的回答沒有一絲怨恨之意:「如果你得獎了,也不是由你來解釋為什麼你能夠獲獎。」她接著補充道,這個疏忽對她來說未必是壞事,她後來獲得了幾乎所有的獎勵、勛章、榮譽和盛讚。她的意思似乎是說,她得到了相當多的補償。(蘇珊).約瑟琳.貝爾.伯奈爾女爵士諸多榮耀加身:大英帝國女爵級司令勛章、皇家天文學會院士、蘇格蘭愛丁堡皇家學會主席、英國皇家學會院士,以及多個著名勛章和幾十個榮譽博士頭銜等。

在這場理論界的辯論中,脈衝星立場鮮明。人們已經在銀河系中與我們相距幾百光年的位置,發現了像燈塔信標一樣發出耀眼光芒的中子星。五十年來,人們一直在思考重力塌縮的終極狀態,惠勒當年也認為這是一個最優先的重要問題。如今,這個問題已經帶領天文學家們來到關鍵時刻。脈衝星是可以證明中子星真實存在的第一個證據。如果中子星是恆星塌縮的死亡狀態所形成的,那麼黑洞亦有可能如此。愛因斯坦認為黑洞(「黑洞」這個名稱當時還沒有出現)這個答案具有一定的數學價值,但在適用性上有諸多限制,因為恆星物質會抵制這種災難性塌縮。

不過,核武器的設計者們卻得出了不同的結論。在恆星死亡的激烈過程中,如果留下的殘骸質量夠龐大,那麼這些殘骸必然無法擺脫塌縮的命運。在變成中子星後,還會發生爆炸,然後繼續墜落,直至變成黑洞。但是,理論上的對峙往往無法通過直接觀察等方式予以徹底解決。約瑟琳.貝爾.伯奈爾發現了中子星存在的證據,這個發現本身就具有令人著迷的魅力。此外,它還會讓人們產生新的憧憬,即證明黑洞存在的憧憬。(據說,一位德高望重的同行在一九七○年國際天文學聯合會大會期間找到約瑟琳,並大聲對她說:「貝爾小姐,你完成了二十世紀最偉大的天文發現!」)儘管脈衝星的發現使黑洞的存在顯得更加可信,但在得到廣泛認同之前,人們可能還需要用幾十年的時間,通過觀察耐心地收集數據。

在天鵝座的方位中,就存在一個天文物理學意義上的黑洞。與其他所有星座一樣,天鵝座是一群恆星的隨意組合,位於同一星座邊界線上的不同恆星,與地球之間的距離可能彼此相差幾千光年。但是,如果以投影到天空表面的方式來模擬天鵝座,就會讓人形成這些恆星位在同一個平面上的錯覺。托勒密(Ptolemy)在觀察這些恆星時發現,它們的排列碰巧具有某種特點,用線條連接之後構成的簡單圖案看上去就像一隻「天鵝」。

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Photo Credit: NASA/CXC@Wikimedia Commons Public Domain
錢德拉X射線天文台拍攝的天鵝座X-1照片。

我們根據星座的名稱,把這個黑洞稱為「天鵝座X-1」(Cygnus X-1)。這個簡單明瞭的代號表明了黑洞所在的方位以及這個發現的特點,這是因為天文學領域的命名必須遵循資訊直接明瞭的原則。「天鵝座X-1」是一個雙黑洞,也就是說,這顆死亡恆星並不孤單,有一顆活躍的大型藍星與它為伴。雙黑洞釋放出大量的X射線,為極高能的光,這些X射線的能量足以穿透你體內柔軟的組織,但不足以穿透你的骨骼。因此,藉助從「天鵝座X-1」黑洞釋放出來的光,你可以拍攝一張顯示全身骨骼結構的X光片。

天鵝座裡的黑洞是在一九六四年被發現的,可以說是人類有史以來發現的第一個黑洞。但是,關於重力塌縮是否會導致黑洞這樣徹底的災難性後果,人們的爭論一直持續到一九七○年代。甚至到了一九九○年代,仍然有少數人持不同看法。在與這個黑洞相距不遠的位置,一顆質量大約是太陽質量十五倍的大型藍星正沿著軌道運行。這顆藍超巨星的大氣吹向黑洞,風吹入軌道,形成一層薄薄的圓盤狀物質環繞著洞,然後漸漸地緩緩流過事件視界。黑洞正在慢慢吞噬它的伴星,在這個過程中,流入的物質溫度可升高到攝氏數百萬度,發射出X射線。溫度升高後,這些物質就會變亮,黑洞周圍的整個區域會以X射線的形式發出強大的光。

事實上,這個雙星系統距離太陽系大約六千光年。它們的所在位置據稱與天鵝星座中其他恆星的分布並無關聯,只有方位一致。每過五天,黑洞與藍超巨星就會沿軌道運行一周。這樣的驚奇永無止息。

某些過分謹慎的天文學家可能仍然會把「天鵝座X-1」中的緻密星體稱作「假定存在的黑洞」、「宣稱存在的黑洞」或「猜測存在的黑洞」。我們無法「see」黑洞,那是彎曲時空對物質產生的作用。而我們推斷,從藍超巨星脫離的高溫物質的中心有一個天體,這個天體的質量非常大(至少是太陽質量的十五倍),體積卻非常小(直徑約為八十八公里),這樣的天體只能是一個黑洞。誠然,如此謹慎的天文觀察者為數不多,但是他們堅持認為我們從來沒有看到黑洞。

休伊什與約瑟琳.貝爾.伯奈爾著手研究的似星體電波源(後來,人們發現它們明顯來自銀河系外,便改名為「類星體」〔quasars〕)看上去又小又亮,就像天空中的星星,卻散布於銀河平面之外。這暗示著類星體其實不在我們的銀河裡,它們與我們的距離大約為十億光年或甚至更遠。這說明了它們非常古老,因為它們的光傳播到地球上需要幾十億年的時間。另外,這些類星體非常罕見,這表示宇宙製造類星體的速度沒有像以前那麼快。

類星體的能量源自古老星系的核心,它們發出明亮的光,因此我們在距離它們非常遠的地球上也可以觀測到。為太陽質量幾百萬倍或幾十億倍的超大質量黑洞(包括假定存在、猜測存在和宣稱存在的黑洞),將星系中的「漂流木」——包括完整的恆星、氣體與殘骸,星系核中的「居民」,在龐大星系中四處游弋的「蜉蝣」——全部拖拽進去變成一團高溫物質,這些物質翻轉滾落,終至完全湮滅。黑洞也能加速氣體而形成高速明亮的噴流,往外延伸幾百萬光年。一九六○年代,人類在地球上第一次觀察到宇宙發出的這種訊號。當時,人們根本不知道是何方神聖完成了這類壯舉。

類星體是一種活躍的星系核,所有能量都來自超大質量黑洞。這些活躍的星系核密度極大,相當於把十億個太陽的質量集中在一個與太陽系大小相仿的區域中。活躍的星系核像是沉重的錨,積聚了一個緻密又擁擠的中心,周圍可能有數萬個較小的黑洞、其他死亡恆星及一些存活的恆星在沿軌道繞行。超大質量黑洞可能源於死亡恆星,也可能源於質量與恆星相仿的黑洞相互碰撞、合併形成的巨大星系核心。

我們對宇宙的所有認識,包括宇宙的景觀、宇宙中的居民、宇宙的歷史、宇宙的形態結構等細節,幾乎都來自天文學家的觀察與物理學家的實驗。這些科學家依據的主要辦法就是採集從宇宙起源後不久直至今天的所有發光事件所發射的光,光幾乎是他們關注的唯一事物,儘管有時候他們也會採集某些粒子。科學家通過研究光的顏色、強度、方向和變化情況,分析其中隱含的訊息,目的是繪製一幅宇宙詳圖。這幅地圖在距離上涵蓋各個方向的範圍超過四百五十億光年,追溯的時間則將近一百四十億年。在我們視線所及的茫茫宇宙中,我最希望探索的是無盡的黑暗、空無一物的真空地帶,以及無邊無際的純粹時空。

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書籍介紹

本文摘錄自《黑洞藍調:諾貝爾獎LIGO團隊探索重力波五十年,人類對宇宙最執著的傾聽》,漫遊者文化出版
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作者:珍娜.萊文(Janna Levin)
譯者:胡小銳、萬慧

  • 2017年諾貝爾物理學獎得主基普.索恩等科學家與LIGO科學家們相知相惜,才華洋溢的動人故事
  • 證明了愛因斯坦的天才預言,補足了廣義相對論缺失的「最後一塊拼圖」
  • 一百年來的重力波探測編年史,為人類探索宇宙生成開闢了全新的觀測方式

「在宇宙上演的不是一齣默劇,因為宇宙其實不是一片死寂。」——珍娜.萊文

這是人類對宇宙最靈敏、最執著的傾耳細聽……
一群科學家天才奇想,冀圖捕捉宇宙重力波傳來的微弱「聲音」,
另闢蹊徑證實了黑洞的存在,以及宇宙起源的在場證明……

LIGO科學家捕捉到重力波的重大成就,如同伽利略發明了望遠鏡,
我們得以透過重力波這位「新任宇宙信使」,探索前所未知的宇宙理論,
重新理解宇宙的誕生。

一九一六年,愛因斯坦預測了重力波的存在。一世紀之後,人類記錄到來自太空的第一波聲音,證明由黑洞碰撞造成的重力波確實存在,而探測到重力波的LIGO科學團隊成員萊納.魏斯、基普.索恩以及巴里.巴利許,也因此重大成就獲得二○一七年諾貝爾物理學獎。

到底是什麼樣的瘋狂團隊做出的天才豪賭,想要在相當於地球周長一千億倍的距離範圍內,測量出比人頭髮的直徑還要小的變化?而留給測量的時間或許不到一秒鐘。而且,沒有人知道這種極微小的變化何時會發生……

本書作者珍娜.萊文先從人和故事出發,描繪了主導LIGO計畫的首席科學家們各自的文化背景與鮮明個性,如何左右計劃的成敗,彷彿是美劇《宅男行不行》的進階真人版,之後再讓科學現身,直到最後科學與人合而為一,翔實的調查與如歌的寫作,呈現近五十年來精彩的重力波科學探測史。

像是LIGO的靈魂人物萊納.魏斯,自小就沉迷音響,曾為了追求愛情輟學並苦學鋼琴,還因為不懂相對論卻又要授課,只好絞盡腦汁想出一些「思想實驗」來解釋抽象艱澀的理論,這些經歷因此讓他發想出 LIGO 實驗的主體設計。基普.索恩雖然出生於教規嚴格的摩門教家庭,卻崇尚波希米亞式的自由之風,他另闢蹊徑沉思宇宙,提出經由探測重力波發出的聲音,也多虧他的前瞻眼光,才讓計畫好幾次免於夭折。另一位來自蘇格蘭的科學家朗納.德瑞福才華橫溢卻個性瘋狂,有著「科學界莫札特」的稱號,但他暴躁的脾氣卻難以跟其他科學家合作,最後甚至被踢出LIGO團隊抑鬱而終。一般咸信若他還在世,諾貝爾物理學獎一定有他一份。

這幾位主導LIGO的科學家跟一般人一樣都有性格上的缺陷,卻能彼此相知相惜,正是這般人性與科學摩擦碰撞的熱力,五十年來持續支撐了這個遠大的科學計畫。即便LIGO成立以來歷經波折,先是研究成員被懷疑是蘇聯間諜而被FBI跟監,龐大的計畫與開支長期遭到各種無情的攻擊、質疑與奚落,甚至團隊內部還曾為了德瑞福的去留而分裂成兩派。作者以第一手採訪,引人入勝的筆觸,娓娓敘說其間的驚奇、失望、成就、風險,描繪出一幅史無前例的現代科學面貌。

本書是一部重力波編年史,一份宇宙歷史的聲音紀錄,一場無聲電影的配樂,要向一次異想天開、氣勢恢宏而充滿艱辛的實驗壯舉獻上敬意,並且稱頌那份鍥而不捨的科學壯志。

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Photo Credit: 漫遊者文化

責任編輯:潘柏翰
核稿編輯:翁世航


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