黑洞“现形”前，百年天文史上发生过哪些大事？

|· 本文来自“我是科学家”·|

此时此刻，你可能还沉浸在“黑洞现身”的狂喜中，然而国际天文学联合会（IAU）成立百年的庆典也刚刚拉开帷幕，重头戏在4月11日和12日两天上演。

汇集数百名顶尖科学家、官员、天文产业代表等正在布鲁塞尔举行盛大庆典。主题为“在同片天空下”的天文学百年大会，还将在全球范围内相继开展为期一整年的天文学科普与庆祝活动，从而让公众了解天文学在过去100年以来的重大进展与突破。

国际天文学联合会（IAU）在布鲁塞尔举行成立百年的庆典。图片来源：iau-100.org

就在过去这短短的100年里，天文学的突破比以往几千年都要多的多，而且更有趣，也更具影响力。脉冲星、引力波、宇宙大爆炸、类星体、双中子星合并……这些频上热点的天文学大事件，你都了解多少呢？

图片来源：iau-100.org

接下来，就让我们一起来围观下近100年来天文学上的几件大事吧。

1、脉冲星的发现

当你看到科幻片里宇航员操纵飞船的画面时，是否有过这样的疑问：在浩瀚无垠的太空中驾驶宇宙飞船，要如何分清东西南北呢？

其实，太空也有它的“路标”，那就是宇宙“灯塔”——脉冲星！

脉冲星导航艺术想象图。图中星舰为电视剧“星际迷航”中的企业号。图片来源：德国马普地外物理研究所。

脉冲星是在1967年由英国剑桥大学的天体物理学诺贝尔奖得主——修伊什（Anthony Hewish）首次发现的。

修伊什的学生贝尔女士（Jocelyn Bell），在此次发现中承担了重要的观测和分析数据工作。一开始发现脉冲星发射出的电磁波时，她还以为这是外星人向我们发射出的信号，因此，她发现的第一颗脉冲星还被戏称为——“小绿人1号”。

Jocelyn Bell。图片来源：Wikimedia Commons

那么，什么是脉冲星？它为什么能充当宇宙“灯塔”？

脉冲星其实就是高速旋转的中子星，中子星由恒星演变而来：经过“超新星爆炸”之后，就只剩下了一个致密的“核”， 其质量超过太阳质量，而直径仅有几十公里。它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒1000多圈^[1]。

中子星构想图 图片来源：ESO/L.Calçada/CC-A

在旋转过程中，由于其超强的磁场和极端的物理条件，在中子星的两极会产生准直性的电磁辐射(包括射电波、可见光、X射线或伽玛射线)。随着中子星的旋转，这种辐射就像灯塔旋转的光束那样周期性地进入和离开我们的视线。

这种强烈的规律赋予了脉冲星最精确“宇宙时钟”的特质，它规则的信号甚至能精确到千万亿分之一！

脉冲星如此稳定的脉冲信号给人类提供了巨大的科学研究价值，一方面可以作为计时的依据；另一方面，将来在进行宇宙空间探索的时候，人们可以利用脉冲星来进行星际导航，帮助人类走出太阳系，向宇宙深处探索。

五十多年过去了，科学家从没有停止对脉冲星的探索。现在，已知的脉冲星超过了2000颗。

我国贵州省黔南，就拥有一台500米口径球面的射电望远镜——FAST，俗称“天眼”，截至2018年9月12日，“天眼”已经发现44颗经过国际认证的脉冲星。图片来源：东方IC

2、引力波的发现

2016年2月11日，激光干涉引力波天文台（LIGO）合作组宣布探测到广义相对论预言已久的引力波，引力波的探测成为了天文学界的热门话题。

目前，人们已经探测到来自双黑洞合并和双中子星合并产生的引力波。在未来也将会有越来越多的引力波得到确认。

图片来源：LIGO

截至2018年12月1日，LIGO探测到的引力波。

那么，引力波是如何产生的呢？

按照爱因斯坦的广义相对论，任何有质量的物体都会导致时空弯曲(表现为引力)。当质量分布发生一定变化时(比如两个中子星相互绕转时)，由此引发的时空扰动就会以光速传播出去，就像水池中的涟漪。

图片来源：Our Universe Visualized

两颗中子星的并合过程。

这里说“一定变化”，是因为并不是所有的变化都会有引力波，比如物质沿着一个方向匀速前进就不会产生引力波。物理上来说，一定要使得物质分布的四极矩发生变化才可以产生引力波。

引力波有哪些特点呢？

引力波在宇宙中普遍存在。它可以提供电磁辐射不能携带的信息，探测到无法用电磁辐射或不具有电磁辐射的天体，比如LIGO之前探测到的黑洞-黑洞合并的引力波事件，就没有电磁信号，为我们描绘出完全不同的宇宙图像。

图片来源：iop.org

来源于距离地球14亿光年的两个黑洞的并合。

引力波在传播过程中，基本上不被吸收、不被散射、不被屏蔽，它可以将观测领域扩大到被宇宙尘埃遮蔽，或被其他物质屏蔽的宇宙区域，揭示宇宙真面目。

它可以帮助我们了解宇宙空间中很多引人注目的天文事件，如超新星爆发、星体碰撞、双星并合的信息。也能给我们提供宇宙最早状态的信息[2]。可以说，有了引力波探测之后，人们就多了一双认识宇宙的“眼睛”。

3、宇宙微波背景辐射

图片来源：ESA

“普朗克”测得的全天宇宙微波背景辐射图，

关于宇宙的起源，一直有两种学说分庭抗礼——大爆炸理论和稳恒态理论。

大爆炸理论认为：宇宙经历了初始高温高密度状态快速膨胀(类似巨大的爆炸)的历程。这一快速膨胀过程中的微小幅度的物质-能量分布的起伏造成了现有的各大星系，而各大星系以及整个宇宙总是处于不断变化和发展的过程之中。

然而，宇宙恒稳态理论认为：宇宙的过去、现在和将来基本上处于同一种状态，从结构上说是恒定的，从时间上说是无始无终的。

但当“宇宙微波背景”被发现后，稳恒态理论直接被“K.O”，顿时失去它的了立场。

什么是“宇宙微波背景”呢？

四十年代末，大爆炸宇宙论的鼻祖之一——乔治·伽莫夫（George Gamow）认为，现在的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，由于宇宙的膨胀，辐射的温度已经被冷却到6K。正如一个火炉虽然不再有火了，但还可以冒一点热气，如果可以检测到那一点“热气”，即“宇宙微波背景”，就可以给大爆炸理论提供强有力的支持！

1964年，美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔森（Robert Wilson）试图用喇叭型天线找到从通信卫星上反射回的射电波时，他们接收到了无法解释的一些噪音。当他们排除了一切可能性（包括天线中的鸽子粪便）后，最终发现这是一些理论学家热切期盼的“宇宙微波背景辐射”——宇宙大爆炸遗留下的热辐射^[3]！

发现了“宇宙微波背景辐射”后，通过不断发展的望远镜技术，天文学家们能够以更高的精确度测量它，并可以从中精确地测量出各种宇宙学参数。

天文学为我们的生活带来了什么？

除了今天介绍的几个重大突破以外，还有类星体、暗物质、星际有机分子和中微子等重要的研究发现……100多年的天文学发展给人类打开了一扇通往遥远太空的大门，让人类的发展看到了宇宙般无限的可能，并彻底的改变了我们每一个人的生活。

接下来就让我们看看，天文学中都有哪些与我们的日常生活息息相关吧。

01 | 相对论和GPS定位系统

卫星就像坐标系中几个基准点一样，知道基准点之间的距离，就不难计算出我们的坐标。这听起来不过是初中所学的解方程组，可如果对相对论一无所知，可能永远解不出答案。卫星自身的位置如何确定又与70年前我们发现的一类奇妙的天体——类星体（Quasar）密不可分^[4]。

最开始，GPS仅用于军事项目，而现在已有30多颗导航定位卫星环绕着地球，为我们日常生活保驾护航。

02 | 射电天文与WiFi网络

约翰·奥沙利文（John  O’Sullivan）在1977年合作发表了一篇高效传输射电望远镜图像的文章^[5]，基本方法就是将信号拆分成不同的频率段来传输，接受器收到信号之后再重新合并起来。

图片来源：参考文献[6]

澳大利亚最大的射电望远镜，曾于阿波罗11号登月时负责图像信号接收。

这种技术可以大大降低传输过程中的干扰，获得优良的传输效率。可没想到的是，这项研究成果在10多年后为WiFi带来了关键的技术突破。如今我们每人拿起手机和电脑链接上WiFi那一刻，或许都应该感谢他。

图片来源：Pixabay

Wifi改变了生活。

从航天育种改善农作物品质, 到环境和资源管理、计算机技术和许多工业产品；从健康和医学仪器，到新型交通工具、公众安全……[7]天文学的进步带来一系列技术的进步和发展,应用到生产生活之中,产生了巨大的经济效益和社会效益，有力地推动了文明的发展,使我们更诗意地栖居在地球上。

从古至今，人类从未停止探索宇宙的脚步，相信在未来，天文学将会给人类带来更多惊喜和希望！

致谢：

感谢中国科学技术大学天文系薛永泉教授对本文内容的良好建议，感谢孙谋远博士对文章学术性的细致审核把关。

本文经果壳网授权转载

编辑：Yuki丨版权属于原作者，译文版权属于果壳

出处：https://www.guokr.com/article/451793/

参考文献：

1. 什么是脉冲星？有的脉冲星自转速度竟高达每秒1000转
2. 王运永, 朱宗宏, R.迪萨沃. 引力波天文学——一个观测宇宙的新窗口[J]. 现代物理知识, 2016, 25(04)
3. 你知道几个？这10大天文学突破
4. 天文学：这么近，那么远
5. Hamaker, J.P.; O’Sullivan, J.D.; Noordam, J.E.(1977), “Image sharpness, Fourier optics, and redundant-spacing interferometry”, J.Opt.Soc.Am., 67 (8):1122–1123, doi:10.1364/JOSA.67.001122.
6. Robertson, Peter(9 February 2010).  “40 Years of The Dish”.  ABCScience.  ABC.Retrieved 16 June 2014.
7. 探索宇宙奥秘给我们带来了什么?

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