作者：王國燕、桂思奇
編輯：Yuki
此時(shí)此刻，你可能還沉浸在昨日“黑洞現(xiàn)身”的狂喜中，然而國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）成立百年的慶典也剛剛拉開帷幕，重頭戲在4月11日和12日兩天上演。
匯集數(shù)百名頂尖科學(xué)家、官員、天文產(chǎn)業(yè)代表等正在布魯塞爾舉行盛大慶典。主題為“在同片天空下”的天文學(xué)百年大會(huì)，還將在全球范圍內(nèi)相繼開展為期一整年的天文學(xué)科普與慶祝活動(dòng)，從而讓公眾了解天文學(xué)在過去100年以來的重大進(jìn)展與突破。
（國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)（IAU）在布魯塞爾舉行成立百年的慶典。圖片來源：iau-100.org）
就在過去這短短的100年里，天文學(xué)的突破比以往幾千年都要多的多，而且更有趣，也更具影響力。脈沖星、引力波、宇宙大爆炸、類星體、雙中子星合并……這些頻上熱點(diǎn)的天文學(xué)大事件，你都了解多少呢？
（圖片來源：iau-100.org）
接下來，就讓我們一起來圍觀下近100年來天文學(xué)上的幾件大事吧。
1
脈沖星的發(fā)現(xiàn)
當(dāng)你看到科幻片里宇航員操縱飛船的畫面時(shí)，是否有過這樣的疑問：在浩瀚無垠的太空中駕駛宇宙飛船，要如何分清東西南北呢？
其實(shí)，太空也有它的“路標(biāo)”，那就是 宇宙“燈塔”——脈沖星 ！
（脈沖星導(dǎo)航藝術(shù)想象圖。圖中星艦為電視劇“星際迷航”中的企業(yè)號。圖片來源：德國馬普地外物理研究所。）
脈沖星是在1967年由英國劍橋大學(xué)的天體物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主——修伊什（Anthony Hewish）首次發(fā)現(xiàn)的。
修伊什的學(xué)生貝爾女士（Jocelyn Bell），在此次發(fā)現(xiàn)中承擔(dān)了重要的觀測和分析數(shù)據(jù)工作。一開始發(fā)現(xiàn)脈沖星發(fā)射出的電磁波時(shí)，她還以為這是外星人向我們發(fā)射出的信號，因此，她發(fā)現(xiàn)的第一顆脈沖星還被戲稱為——“小綠人1號”。
（Jocelyn Bell。圖片來源： Wikimedia Commons）
那么，什么是脈沖星？它為什么能充當(dāng)宇宙“燈塔”？
脈沖星其實(shí)就是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，中子星由恒星演變而來：經(jīng)過“超新星爆炸”之后，就只剩下了一個(gè)致密的“核”， 其質(zhì)量超過太陽質(zhì)量，而直徑僅有幾十公里。它的旋轉(zhuǎn)速度很快，有的甚至可以達(dá)到每秒1000多圈 [1] 。
（中子星構(gòu)想圖 圖片來源：ESO/L.Cal?ada/CC-A）
在旋轉(zhuǎn)過程中，由于其超強(qiáng)的磁場和極端的物理?xiàng)l件，在中子星的兩極會(huì)產(chǎn)生準(zhǔn)直性的電磁輻射(包括射電波、可見光、X射線或伽瑪射線)。隨著中子星的旋轉(zhuǎn)，這種輻射就像燈塔旋轉(zhuǎn)的光束那樣周期性地進(jìn)入和離開我們的視線。
這種強(qiáng)烈的規(guī)律賦予了脈沖星最精確“宇宙時(shí)鐘”的特質(zhì)，它規(guī)則的信號甚至能精確到千萬億分之一！
脈沖星如此穩(wěn)定的脈沖信號給人類提供了巨大的科學(xué)研究價(jià)值，一方面可以作為計(jì)時(shí)的依據(jù)；另一方面，將來在進(jìn)行宇宙空間探索的時(shí)候，人們可以利用脈沖星來進(jìn)行星際導(dǎo)航，幫助人類走出太陽系，向宇宙深處探索。
五十多年過去了，科學(xué)家從沒有停止對脈沖星的探索?，F(xiàn)在，已知的脈沖星超過了2000顆。
（我國貴州省黔南，就擁有一臺(tái)500米口徑球面的射電望遠(yuǎn)鏡——FAST，俗稱“天眼”，截至2018年9月12日，“天眼”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)44顆經(jīng)過國際認(rèn)證的脈沖星。圖片來源：東方IC）
2
引力波的發(fā)現(xiàn)
2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）合作組宣布探測到廣義相對論預(yù)言已久的引力波，引力波的探測成為了天文學(xué)界的熱門話題。
目前，人們已經(jīng)探測到來自雙黑洞合并和雙中子星合并產(chǎn)生的引力波。在未來也將會(huì)有越來越多的引力波得到確認(rèn)。
（截至2018年12月1日，LIGO探測到的引力波。圖片來源：LIGO）
那么，引力波是如何產(chǎn)生的呢？
按照愛因斯坦的廣義相對論，任何有質(zhì)量的物體都會(huì)導(dǎo)致時(shí)空彎曲(表現(xiàn)為引力)。當(dāng)質(zhì)量分布發(fā)生一定變化時(shí)(比如兩個(gè)中子星相互繞轉(zhuǎn)時(shí))，由此引發(fā)的時(shí)空擾動(dòng)就會(huì)以光速傳播出去，就像水池中的漣漪。
（兩顆中子星的并合過程。圖片來源：Our Universe Visualized）
這里說“一定變化”，是因?yàn)椴⒉皇撬械淖兓紩?huì)有引力波，比如物質(zhì)沿著一個(gè)方向勻速前進(jìn)就不會(huì)產(chǎn)生引力波。物理上來說，一定要使得物質(zhì)分布的四極矩發(fā)生變化才可以產(chǎn)生引力波。
引力波有哪些特點(diǎn)呢？
引力波在宇宙中普遍存在。它可以提供電磁輻射不能攜帶的信息，探測到無法用電磁輻射或不具有電磁輻射的天體，比如LIGO之前探測到的黑洞-黑洞合并的引力波事件，就沒有電磁信號，為我們描繪出完全不同的宇宙圖像。
（來源于距離地球14億光年的兩個(gè)黑洞的并合。圖片來源：iop.org）
引力波在傳播過程中，基本上不被吸收、不被散射、不被屏蔽，它可以將觀測領(lǐng)域擴(kuò)大到被宇宙塵埃遮蔽，或被其他物質(zhì)屏蔽的宇宙區(qū)域，揭示宇宙真面目。
它可以幫助我們了解宇宙空間中很多引人注目的天文事件，如超新星爆發(fā)、星體碰撞、雙星并合的信息。也能給我們提供宇宙最早狀態(tài)的信息 [2] ?？梢哉f，有了引力波探測之后，人們就多了一雙認(rèn)識(shí)宇宙的“眼睛”。
3
宇宙微波背景輻射
（“普朗克”測得的全天宇宙微波背景輻射圖，圖片來源：ESA)
關(guān)于宇宙的起源，一直有兩種學(xué)說分庭抗禮—— 大爆炸理論和穩(wěn)恒態(tài)理論 。
大爆炸理論認(rèn)為：宇宙經(jīng)歷了初始高溫高密度狀態(tài)快速膨脹(類似巨大的爆炸)的歷程。這一快速膨脹過程中的微小幅度的物質(zhì)-能量分布的起伏造成了現(xiàn)有的各大星系，而各大星系以及整個(gè)宇宙總是處于不斷變化和發(fā)展的過程之中。
然而，宇宙恒穩(wěn)態(tài)理論認(rèn)為：宇宙的過去、現(xiàn)在和將來基本上處于同一種狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)上說是恒定的，從時(shí)間上說是無始無終的。
但當(dāng)“宇宙微波背景”被發(fā)現(xiàn)后，穩(wěn)恒態(tài)理論直接被“K.O”，頓時(shí)失去它的了立場。
什么是“宇宙微波背景”呢？
四十年代末，大爆炸宇宙論的鼻祖之一——喬治·伽莫夫（ George Gamow ）認(rèn)為，現(xiàn)在的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，由于宇宙的膨脹，輻射的溫度已經(jīng)被冷卻到6K。 正如一個(gè)火爐雖然不再有火了，但還可以冒一點(diǎn)熱氣，如果可以檢測到那一點(diǎn)“熱氣”，即“宇宙微波背景”，就可以給大爆炸理論提供強(qiáng)有力的支持！
1964年，美國射電天文學(xué)家阿諾·彭齊亞斯（ Arno Penzias）和 羅伯特·威爾森（ Robert Wilson ）試圖用喇叭型天線找到從通信衛(wèi)星上反射回的射電波時(shí)，他們接收到了無法解釋的一些噪音。當(dāng)他們排除了一切可能性（ 包括天線中的鴿子糞便 ）后，最終發(fā)現(xiàn)這是一些理論學(xué)家熱切期盼的“宇宙微波背景輻射”—— 宇宙大爆炸遺留下的熱輻射 [3] ！
發(fā)現(xiàn)了“宇宙微波背景輻射”后，通過不斷發(fā)展的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，天文學(xué)家們能夠以更高的精確度測量它，并可以從中精確地測量出各種宇宙學(xué)參數(shù)。
天文學(xué)為我們的生活帶來了什么？
除了今天介紹的幾個(gè)重大突破以外，還有類星體、暗物質(zhì)、星際有機(jī)分子和中微子等重要的研究發(fā)現(xiàn)……100多年的天文學(xué)發(fā)展給人類打開了一扇通往遙遠(yuǎn)太空的大門，讓人類的發(fā)展看到了宇宙般無限的可能，并徹底的改變了我們每一個(gè)人的生活。
接下來就讓我們看看，天文學(xué)中都有哪些與我們的日常生活息息相關(guān)吧。
01相對論和GPS定位系統(tǒng) 衛(wèi)星就像坐標(biāo)系中幾個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)一樣，知道基準(zhǔn)點(diǎn)之間的距離，就不難計(jì)算出我們的坐標(biāo)。這聽起來不過是初中所學(xué)的解方程組，可如果對相對論一無所知，可能永遠(yuǎn)解不出答案。衛(wèi)星自身的位置如何確定又與70年前我們發(fā)現(xiàn)的一類奇妙的天體——類星體（Quasar）密不可分 [4] 。
最開始，GPS僅用于軍事項(xiàng)目，而現(xiàn)在已有30多顆導(dǎo)航定位衛(wèi)星環(huán)繞著地球，為我們?nèi)粘Ｉ畋ｑ{護(hù)航。
02射電天文與WiFi網(wǎng)絡(luò) 約翰·奧沙利文（John O’Sullivan）在1977年合作發(fā)表了一篇高效傳輸射電望遠(yuǎn)鏡圖像的文章 [5] ，基本方法就是將信號拆分成不同的頻率段來傳輸，接受器收到信號之后再重新合并起來。
(大利亞最大的射電望遠(yuǎn)鏡，曾于阿波羅11號登月時(shí)負(fù)責(zé)圖像信號接收。圖片來源：參考文獻(xiàn)[6])
這種技術(shù)可以大大降低傳輸過程中的干擾，獲得優(yōu)良的傳輸效率?？蓻]想到的是，這項(xiàng)研究成果在10多年后為WiFi帶來了關(guān)鍵的技術(shù)突破。如今我們每人拿起手機(jī)和電腦鏈接上WiFi那一刻，或許都應(yīng)該感謝他。
(Wifi改變了生活。圖片來源：Pixabay)
從航天育種改善農(nóng)作物品質(zhì), 到環(huán)境和資源管理、計(jì)算機(jī)技術(shù)和許多工業(yè)產(chǎn)品；從健康和醫(yī)學(xué)儀器，到新型交通工具、公眾安全…… [7] 天文學(xué)的進(jìn)步帶來一系列技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,應(yīng)用到生產(chǎn)生活之中,產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有力地推動(dòng)了文明的發(fā)展,使我們更詩意地棲居在地球上。
從古至今，人類從未停止探索宇宙的腳步，相信在未來，天文學(xué)將會(huì)給人類帶來更多驚喜和希望！
致謝：
感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)天文系薛永泉教授對本文內(nèi)容的良好建議，感謝孫謀遠(yuǎn)博士對文章學(xué)術(shù)性的細(xì)致審核把關(guān)。
作者名片
參考文獻(xiàn)：
[1]什么是脈沖星？有的脈沖星自轉(zhuǎn)速度竟高達(dá)每秒1000轉(zhuǎn)
[2]王運(yùn)永, 朱宗宏, R.迪薩沃. 引力波天文學(xué)——一個(gè)觀測宇宙的新窗口[J]. 現(xiàn)代物理知識(shí), 2016, 25(04)
[3]你知道幾個(gè)？這10大天文學(xué)突破
[4]天文學(xué)：這么近，那么遠(yuǎn)
[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]探索宇宙奧秘給我們帶來了什么?
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