一個新射電源引發(fā)的爭論:再看脈沖星的發(fā)現*

周麗曉

(中國科學院大學 人文學院,北京 100049)

0 引言

1967年,英國劍橋大學著名的射電天文學家安東尼·休伊什(Antony Hewish)研究團隊使用行星際閃爍陣列望遠鏡在射電波段發(fā)現第一顆脈沖星,即射電源CP.1919,相關論文并于1968年在《自然》(Nature)上發(fā)表.[1]自此,這為天文學和天體物理學開辟了一個非常重要的研究領域,至今仍活躍在科學前沿.

關于這一重大科學發(fā)現,國內外學者已有不少研究,主要涉及發(fā)現權確立、諾貝爾獎之爭、科學意義、發(fā)現者個性與故事,[2-6]以及近期發(fā)表的科學與技術因素分析[7]等內容.脈沖星的發(fā)現開創(chuàng)了天文學領域一個重要的研究分支,并且奠定了現代天體物理學恒星演化理論的基礎和重要地位.這樣一個重大科學成就在科學史上所能揭示的問題與意義遠非這兩點,它還可以在很多方面激發(fā)人們的認識和思考.2013年,英國天文學家約翰·彭尼(Alan John Penny)從地外生命搜索的角度重新討論了脈沖星的發(fā)現過程.[8]受其啟發(fā),作者從科學家如何通過良性爭論促進科學新知識的產生為視角再次考察脈沖星的發(fā)現.在當時的情境中,休伊什等人從發(fā)現奇異脈沖信號到發(fā)現脈沖星,實際上經歷了諸多關于對脈沖來源的多種可能性的探討和排除.作者通過對當時討論不同可能性的人物和內容的研究,認為脈沖星的發(fā)現伴隨著人工信號、干擾噪聲、小綠人、脈沖星、中子星等爭論而不斷向前發(fā)展,也正因為這些良性爭論而推動人們逐步解開對輻射出奇怪脈沖信號的射電源的疑惑.除此之外,這場由一個異常的新射電源引起的爭論,通過對小綠人的猜測和研究,促使科學家們對地外生命探索中的新問題給予了關注和思考.這些問題正是二十幾年后地外生命探測協議和應答協議中所討論的內容.

1 休伊什團隊探討奇特脈沖的多種可能性

當時休伊什團隊成員有喬瑟琳·貝爾(Jocelyn Bell Burnell)、托尼(Tony)、斯科特(Scott)、柯林斯(Collins)和約翰·皮爾金頓(John Pilkington)等人.他們是如何發(fā)現那個奇怪的射電源信號的呢? 那么發(fā)現這個嶄新、奇特的信號后又是如何反應的呢?

休伊什教授當時為了進一步研究行星際閃爍以及提升其測量準確度,并通過高精度測量區(qū)分類星體,在1965年獲得資助.他當時在穆拉德射電天文臺設計建造了專門的大型射電望遠鏡——行星際閃爍陣列.這是當時同樣波段中最大的望遠鏡,直到1967年完工.休伊什指導的研究生貝爾一直在參加望遠鏡建造工作,同年7月開始調試設備,并負責望遠鏡運行、觀測和數據分析.觀測到6～8周時,她敏感地發(fā)現在觀測記錄上出現一些從未見過的奇怪信號.[9]4這些奇怪的信號會是什么呢? 強烈的好奇心驅使休伊什團隊開始不斷地對此信號展開各種猜測、分析與討論.

貝爾認為這些信號特征既不像閃爍源,也不像人工干擾信號.[9]4當時她注意到這些信號的原因就是沒想到在離太陽這么遠的地方會有閃爍.貝爾推測要么是很強的源,閃爍很小,在3C 表中;要么是很弱的源,角徑很小,閃爍很大.但這又不是一個3C源,所以很可能是一個極端小角徑源,幾乎是一個點源.了解一個點源的閃爍變化很有必要性且充滿科學意義,所以貝爾期望這個源能夠提供更多的信息.實際上這個源相當接近望遠鏡的探測極限.[10]214為使記錄的數據信息更加詳細,貝爾及時調整了觀測方法,即用更快的紙帶記錄速度去放大時間坐標.1967年10月至11月底,數據記錄清楚地顯示出一系列相隔1.33秒的等間隔脈沖信號.貝爾便立刻聯系了休伊什.休伊什這時的第一反應是人造信號,直到親眼看見才給予高度重視,并且領導團隊開始研究.

托尼發(fā)現脈沖信號遵循很精確的恒星時,[9]5不過此時他們依然懷疑可能是人為的,因為1.33 s對于任何一個像恒星一樣大小的天體來說都太快了,而且也不可能來自地球的任何儀器或設備,因為保持恒星時太難了.通過分析驗證,他排除了反射到望遠鏡的雷達信號,以及位于特殊軌道的衛(wèi)星因為有大的波紋金屬建筑物導致的異常的可能性.

斯科特,也就是“脈沖星發(fā)現”論文的第四作者.他認為信號的確不像是自然的,猜測可能是因為儀器損壞而導致的干擾.在他和柯林斯用另一臺天文望遠鏡觀測到這些脈沖后,排除了儀器影響的可能性.此時他們還分析了信號所攜帶的信息,但并沒有發(fā)現特別的內容.

皮爾金頓的主要工作是測量信號的色散和計算表明該射電源位于太陽系外銀河系內.他是“脈沖星發(fā)現”論文的第三作者,曾討論說“我們正在探測一個微弱的、不可靠的信號,可能來自人工干擾、儀器異常,也可能是自然信號、外星人信號等”.[8]312月初,他還發(fā)現這個信號只在窄頻帶出現,掃頻下降,這在自然源中從未見過,更像是軍方雷達信號.窄帶和掃頻率意味著信號源要小于5000 km.[8]3

由于脈沖信號的奇特性無法用當時熟悉的已有科學理論解釋,便猜測這些脈沖來自另一個文明,并親切地將其稱為“小綠人”.關于這種可能性的討論,團隊成員也各有理解.斯科特后來解釋說,“小綠人”不僅指地外生命,而且還是一個代表任何非自然輻射源的術語,如同小鬼,時常被用來指儀器故障導致的原因.[8]3貝爾也對此做出說明:我們并沒有真正地認為我們發(fā)現了外星信號,并去研究驗證,不過確實有這種想法,這種可能性不能被排除.[8]5如果這是真的,那么當這些“小綠人”在他們的星球上繞他們的恒星公轉時,脈沖將會顯現多普勒紅移.在逐步排除干擾信號、人工信號等可能性以及討論可能是外星文明信號時,休伊什寫信給其他天文臺詢問10月以后是否有同樣的觀測在進行,所有天文臺都回答沒有.[11]362這時,休伊什開始精確地測量脈沖周期,檢測是否存在多普勒紅移,以驗證團隊的諸多猜想,但結果表明是地球在繞著太陽的軌道上.當時與貝爾坐鄰桌的克雷格·麥凱(Craig Mackay)事后評論說,外星文明的解釋被休伊什團隊在早期認真地討論過,覺得整個發(fā)現中的“小綠人”部分被夸大了.[8]4

2 休伊什與布拉德、賴爾對小綠人的討論

射電源脈沖的本質沒有被明確前,休伊什曾和不少同事、同行提到過關于“小綠人”的看法.如1967年11月29日,休伊什在給皇家格林尼治天文臺工作的唐納德(Donald Lynden-Bell)寫信說:“我對來自小綠人的信號很困惑”.[8]3唐納德畢業(yè)于劍橋大學,是研究恒星運動,星系結構、形成、演化、分布和類星體等領域的天體物理學家.與休伊什討論較多的兩位科學家分別是愛德華·布拉德爵士(Sir Edward Buallard)和馬丁·賴爾(Martin Ryle).

1968年,休伊什回憶當時的情景時寫道:“日子一天天過去,我們的激動之情日益增加.我們發(fā)現脈沖源自一個不大于行星的天體,離我們相當近,位于銀河系內最近的恒星中.這些脈沖是來自外星文明的某些信息嗎? 由于對此信號缺乏明確的自然解釋,這些脈沖看起來那么像人造信號,外星文明的可能性也被考慮其中.”[8]3他在自傳中也寫道:“所有的想法都曾經在我大腦中閃現過,雖然它可能是人造的信號,我也需要認真地考慮.我曾測試過小綠人的情況.有一天我在劍橋大學丘吉爾學院吃午飯時,曾對坐在身邊的地球物理學家愛德華·布拉德爵士說過這些情況.他說如果脈沖是窄帶的,很可能是智能信號.我們還認真地測量了帶寬,確實是窄帶,同時還討論了這個智能信號是否來自行星以及是否在軌道上繞著一顆恒星.”[8]3-412月11日,休伊什開始進行相關的時間測量.

12月中,隨著研究的深入,這個信號像外星文明的方面更多了.脈沖強度不同,有時長時間不出現,這對天文源的變化來說太不同尋常,于是關于外星文明的解釋日益增多.除布拉德爵士,與休伊什討論小綠人問題最多的要數賴爾了.賴爾是休伊什的同事,也是劍橋大學射電天文學領域的第一個教授,成立了穆拉德射電天文臺.兩人于1974年分別因為發(fā)展射電天文觀測技術和脈沖星的發(fā)現,被授予諾貝爾物理學獎.20世紀70年代,賴爾把大部分精力從天文學轉移到他認為更重要和緊急的社會與政治問題.關于“小綠人”的說法,兩位教授均給予了很多的思考和討論.

賴爾當時是射電天文臺的負責人,他曾說:“我的第一感覺是外星人正在嘗試與我們建立聯系”.[8]3兩人在圣誕節(jié)前還商量如果是外星信號,如何宣布? 他們覺得不能輕易發(fā)布,應該通知皇家學會,讓學會處理.[8]4-5他們討論最多的是“小綠人”是否會帶來災難.聽說賴爾確實給國際天文學聯合會(International Astronomical Union,簡稱IAU)寫了信,不過沒有在IAU 檔案中找到.貝爾也說過圣誕節(jié)前去找導師時,剛好碰到一個高級別會議,正專門討論如何發(fā)布.[9]5-6當時參加會議的還有賴爾、朔伊爾(Peter Scheuer)和約翰·沙克夏(John Shakeshaft)等.我們并沒有真的認為收到外星信號,但腦海里的確有這個想法,因為我們沒有證據證明這是自然射電輻射.若是真探測到外星生命信號,該如何負責任地發(fā)布呢?應該先告訴誰? 這些問題在那天下午并沒有得到解決.休伊什獲獎時還強調當時必須面對智能信號的可能性.[12]他知道只要連續(xù)測量時間,將會發(fā)現繞軌道運行的多普勒紅移.由此他們停止討論,開始靜靜等待測量結果.事后休伊什毫無疑問地說,12月的那幾個星期是他一生中最激動人心的日子.

賴爾真的認為有可能是外星信號,他在皇家格林尼治天文臺曾說過“小綠人”的事情.1968年2月9日,他給在格林尼治天文臺工作的英國天文學家伍利(Sir Richard Woolley)的信中也提到“小綠人”和自然源的兩個解釋,還說如果是“小綠人”的話,這個消息應該保密.當時他們也確實把消息限制在穆拉德射電天文臺的幾個相關人員內部.就連在劍橋大學另一部門的天體理論學家霍伊爾(Fred Hoyle),和在休伊什隔壁辦公的天體物理學家朗蓋爾(Longair),也是在1968年2月20日組織的專門發(fā)布脈沖星發(fā)現的研討會上才知道.

雖然當時關于地外生命的射電源概念并不新鮮,并且早在1959年科科尼(Cocconi)和莫里森(Morrison)給《自然》的信中就提到尋找外星文明射電信號的想法,而且也有射電天文臺開始尋找地外生命.但是休伊什、賴爾討論到的內容——如果真探測到一個智能信號,如何去驗證結論,如何去宣布,如何判斷這個發(fā)現是否危險等.涉及了23年后建立起來的SETI(Search for Extraterrestrial Intelligence,縮寫為SETI)探測協議(1990年),和37年后建立起來的SETI響應協議(2004年),這兩個協議主要用來指導團隊探測到地外生命信號時如何處理.休伊什和賴爾在20世紀60年代探討發(fā)布時的策略、宣布是否比保密好等問題,無疑引起了人們對地外生命探索中一些重要內容的思考和關注.當時媒體給予“小綠人”的關注就特別多,即使是被證認為中子星后,媒體的話題仍然集中在外星文明和女性發(fā)現者方面.20世紀70年代,賴爾從天文學研究轉向更重要、更緊急的科學與社會問題后的一些行動,也或多或少受到了這場爭論的啟發(fā)和影響,比如努力推進天文界與政府的合作等.

3 朔伊爾、貝爾、霍伊爾指向自然源的解釋

伴隨著休伊什團隊對脈沖射電源更多的研究和討論,除了“小綠人”的猜測比較引人注意外,朔伊爾和霍伊爾關于脈沖源是一個自然源本質的預言也在同時向前推進.

朔伊爾于1951年加入劍橋大學射電天文研究組.1968年12月,天文學家朔伊爾對奇怪信號的解釋開始指向一個自然源.他指出,在射電源周圍的星際介質或其他介質中的閃爍,可以產生脈沖強度的變化,而且會長時間看不到.同時,因為無線電波速度隨著頻率降低而下降,在星際介質中的色散,會像這個頻率的自然源一樣,把一個最初寬帶的脈沖擴展成窄帶掃頻信號被觀測到.如果脈沖來自一顆環(huán)繞恒星運行的行星,很可能是外星文明的所在地,嚴格守時的脈沖顯示不出漂移跡象.[8]6

休伊什團隊也隨著觀測進展,從“不像自然源”轉變?yōu)椤按_認是自然源”.除了在1967年8月至11月底發(fā)現的第一個脈沖源CP.1919 外,貝爾在圣誕節(jié)前又看到了來自仙后座的同樣奇怪的脈沖信號,為一系列等間隔脈沖,相隔1.2 s.[10]222這使貝爾認為,不可能有兩個“小綠人”兩次選擇同樣錯誤的頻率在同一時間向地球發(fā)信號.12月21日-1月6日一共發(fā)現了CP.1133、CP.0834、CP.0950 三個同樣的源,經過測量,三個脈沖源來自太空不同的方向.至此才確認是一個自然源.其實這四個源在發(fā)現之前早已存在于記錄儀的圖表之中.CP.1919最早的記錄是在8月初,能量峰值在12月中,[10]220在8月6日的記錄中,該源被標記為“干擾”[11]359;CP.1133和CP.0834在7月初已有記錄,能量最高值在11 月中;[10]225,233CP.0950最早記錄在8月中旬,能量最高值位于11月底12月初.[10]233正因為更多的人關注這個奇怪射電源和脈沖信號,并且展開了眾多可能性的良性討論,所以才推動進一步仔細搜索和發(fā)現同樣源的研究.

論文發(fā)表前幾天,休伊什在專門的研討會上宣布其發(fā)現成果時,霍伊爾教授當場斷言這些脈沖射電源一定是超新星遺跡,在場人員還有賴爾、朔伊爾和約翰·莎克夏等.霍伊爾教授研究領域非常廣泛,提出了穩(wěn)態(tài)宇宙學理論,創(chuàng)立了劍橋大學理論天文學研究所,對英澳望遠鏡規(guī)劃和建設貢獻很大.其中和他同時提出穩(wěn)態(tài)宇宙學理論的戈爾德(Thomas Gold),就是論文發(fā)表后證明脈沖星為中子星的天文學家.霍伊爾和戈爾德都認為諾貝爾獎獲得者應該包含貝爾,因為他們認為注意到這些脈沖源是發(fā)現脈沖星的關鍵一步.[11]358,363

4 休伊什團隊的論文與戈爾德的中子星證認

由一個奇怪的新射電源引發(fā)的爭論,持續(xù)了幾個月后,對這一觀測事實進行科學解釋的合理性終于開始明朗.

1968年1月的第一個星期,由于朔伊爾的自然源解釋和更多類似射電源的發(fā)現,休伊什團隊排除了“小綠人”的可能性.之后休伊什設想了一個關于自然源的解釋——中子星,并著手撰寫論文.1968年1月底完成論文《對一顆快速脈動射電源的觀測》,[1]709將其投稿到《自然》.內容基于連續(xù)長時間對新射電源的觀測,文中稱這個源為快速脈動射電源,并沒有確定源的性質,也沒有直接稱其為脈沖星或者中子星,同類源被認為是奇怪的新一類的射電源.文中對異常脈沖的理解描述為:穆拉德天文臺記錄到來自某脈動射電源的不平常信號,該輻射好像起源于銀河系內天體,可能與白矮星或者中子星震蕩有關.[1]709其內容詳細分析了脈沖信號的特點和各種參數,包括周期重復出現且維持精確;信號出現的位置和流量密度;時變特征;瞬時帶寬和頻率漂移;脈沖重現頻率和多普勒頻移;射電源本質等.

1968年2月24日論文發(fā)表.同年3月,休伊什認為該源是介于白矮星與中子星之間的一類新類型的天體,將其命名為“脈沖星”,即“pulsar”,是“pulsating star”的混成詞.這也是參照了人們對類星體的命名——“quasar”為“quasi-stellar object”的簡稱.

后來關于脈沖星的本質的解釋觀點,大部分落在中子星理論上.這主要有以下原因.其源頭是德國天文學家沃爾特·巴德(Walter Baade)、瑞士天文學家弗瑞茲·茲維基(Fritz Zwicky)在1934年提出的假說模型:[13]認為超新星呈現了從普通恒星到中子星的轉變,中子星的特征是極端致密、直徑很小.其理論預測當大質量恒星死亡時,會塌縮成極度致密的中子星.接著是美國理論物理學家羅伯特·奧本海默(J.Robert Oppenheimer)、加拿大物理學家弗爾科夫(George Volkoff)在1939年計算出了中子星的半徑和質量.幸運的是,意大利天體物理學家弗蘭科·帕西尼(Franco Pacini)在1967年11月提出如果中子星旋轉,會具有大磁場,也一定伴隨電磁波的發(fā)射.[14]

1968年5月,戈爾德發(fā)表在《自然》上的論文中詳細證認了所發(fā)現的脈沖射電源起源于高速旋轉的中子星[15].認為中子星的旋轉可以合理地解釋新發(fā)現的脈沖射電源的穩(wěn)定頻率,已知的理論中還沒有哪個天體能夠具有1.33～0.25 s這樣精確、短快的周期,預測可能會發(fā)現相同的、更高頻率的、更多的這類射電源.正如所料,1968年末就發(fā)現了蟹狀星云脈沖星,至此證實了脈沖星是中子星的本質.

表1列出了從1967年7月貝爾開始分析觀測數據,到1968年5月戈爾德證認脈沖星為中子星期間發(fā)生的重要事件,可以清楚地看到這一重大科學發(fā)現是怎樣一步一步向前發(fā)展的.從最初注意到奇怪信號,到人工信號、各種干擾、“小綠人”外星信號、自然源、超新星遺跡、中子星等多種可能性猜測和討論,再到一一排除和證認,這充分體現出爭論、交流對解密射電源的促進作用和科學家不斷思考的探索精神.

表1 脈沖星發(fā)現過程的重要事件Tab.1 An important event in the discovery of pulsars

續(xù)表1 脈沖星發(fā)現過程的重要事件

5 結語

通過以上對脈沖源的多種理解、解釋及其變化的考察,可以看出,當科研工作者面對一個從未見過的奇特的射電源信號時,他們利用已掌握的知識、經驗、方法和工具不斷地去討論、驗證.表明一個新射電源引發(fā)的良性爭論,一方面推進了對脈沖星科學本質的認識,奠定了恒星演化理論的基礎;另一方面也激起了人們當時對地外生命探索這一重要科學問題的關注和思考,引起了新問題的研究,促進了該領域的發(fā)展.這種科學共同體之間的交流與討論,不僅顯現出了科學家實事求是、積極探索的科學精神,也彰顯出了研究共同體面對新問題時協助合作的科學文化氛圍.科學精神和科學文化都是科學進步所必需的,脈沖星發(fā)現中的爭論可以為當今的科技創(chuàng)新提供一些思路和啟發(fā).

作者考察過程中發(fā)現,雖然關于脈沖星發(fā)現的研究至今很多,但仍然有不少值得研究的內容.比如脈沖星的發(fā)現及其過程中的爭論對賴爾、霍伊爾等參與其中的科學家產生了怎樣的影響? “小綠人”的綽號究竟是如何來的? 在科學家們證認脈沖星為中子星后,為什么媒體依然傾向于關注“小綠人”的信息? 媒體當時對“小綠人”和女性工作者的報道,對大眾和相關研究者產生了怎樣的啟發(fā)和影響?

致謝:感謝中國科學院大學人文學院孫小淳教授在本文研究過程中給予的思路啟發(fā)、討論和具體指導意見,對研究進展和論文撰寫有很大幫助.