作者：王國燕、桂思奇

　　編輯：Yuki

　　此時此刻，你可能還沉浸在昨日“黑洞現身”的狂喜中，然而國際天文學聯合會（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。

　　彙集數頂尖科學家、官員、天文產業代表等在布魯塞爾舉行盛大慶典，主題爲“在同片天空下”的天文學百年大會還將在全球範圍內相繼開展爲期一整年的天文學科普與慶祝活動，從而讓公衆瞭解天文學在過去100年以來的重大進展與突破。

　　國際天文學聯合會（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年裏，天文學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。脈衝星、引力波、宇宙大爆炸、類星體、雙中子星合併……這些頻上熱點的天文學大事件，你都瞭解多少呢？

　　圖片來源：iau-100.org

　　接下來，就讓我們一起來圍觀下近100年來天文學上的幾件大事吧。

　　1

　　脈衝星的發現

　　當你看到科幻片裏宇航員操縱飛船的畫面時，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，太空也有它的“路標”，那就是宇宙“燈塔”——脈衝星！

　　脈衝星導航藝術想象圖。圖中星艦爲電視劇“星際迷航”中的企業號。圖片來源：德國馬普地外物理研究所。

　　脈衝星是由1967年由英國劍橋大學的天體物理學諾貝爾獎得主——修伊什（Anthony Hewish）首次發現的。

　　修伊什的學生貝爾女士（Jocelyn Bell），在此次發現中承擔了重要的觀測和分析數據工作。一開始發現脈衝星發射出的電磁波時，她還以爲這是外星人向我們發射出的信號，因此，她發現的第一顆脈衝星還被戲稱爲——“小綠人1號”。

　　Jocelyn Bell。圖片來源：Wikimedia Commons

　　那麼，什麼是脈衝星？它爲什麼能充當宇宙“燈塔”？

　　脈衝星其實就是高速旋轉的中子星，中子星由恆星演變而來：經過“超新星爆炸”之後，就只剩下了一個緻密的“核”， 其質量超過太陽質量，而直徑僅有幾十公里。它的旋轉速度很快，有的甚至可以達到每秒1000多圈[1]。

　　中子星構想圖 圖片來源：ESO/L.Cal ada/CC-A

　　在旋轉過程中，由於其超強的磁場和極端的物理條件，在中子星的兩極會產生準直性的電磁輻射(包括射電波、可見光、X射線或伽瑪射線)。隨着中子星的旋轉，這種輻射就像燈塔旋轉的光束那樣週期性地進入和離開我們的視線。

　　這種強烈的規律賦予了脈衝星最精確“宇宙時鐘”的特質，它規則的信號甚至能精確到千萬億分之一！

　　脈衝星如此穩定的脈衝信號給人類提供了巨大的科學研究價值，一方面可以作爲計時的依據；另一方面，將來在進行宇宙空間探索的時候，人們可以利用脈衝星來進行星際導航，幫助人類走出太陽系，向宇宙深處探索。

　　五十多年過去了，科學家從沒有停止對脈衝星的探索。現在，已知的脈衝星超過了2000顆。

　　我國貴州省黔南，就擁有一臺500米口徑球面的射電望遠鏡——FAST，俗稱“天眼”，截至2018年9月12日，“天眼”已經發現44顆經過國際認證的脈衝星。圖片來源：東方IC

　　2

　　引力波的發現

　　2016年2月11日，激光干涉引力波天文臺（LIGO）合作組宣佈探測到廣義相對論預言已久的引力波，引力波的探測成爲了天文學界的熱門話題。

　　目前，人們已經探測到來自雙黑洞合併和雙中子星合併產生的引力波。在未來也將會有越來越多的引力波得到確認。

　　截至2018年12月1日，LIGO探測到的引力波。圖片來源：LIGO

　　那麼，引力波是如何產生的呢？

　　按照愛因斯坦的廣義相對論，任何有質量的物體都會導致時空彎曲(表現爲引力)。當質量分佈發生一定變化時(比如兩個中子星相互繞轉時)，由此引發的時空擾動就會以光速傳播出去，就像水池中的漣漪。

　　兩顆中子星的併合過程。圖片來源：Our Universe Visualized

　　這裏說“一定變化”，是因爲並不是所有的變化都會有引力波，比如物質沿着一個方向勻速前進就不會產生引力波。物理上來說，一定要使得物質分佈的四極矩發生變化纔可以產生引力波。

　　引力波有哪些特點呢？

　　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-黑洞合併的引力波事件，就沒有電磁信號，爲我們描繪出完全不同的宇宙圖像。

　　來源於距離地球14億光年的兩個黑洞的併合。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，它可以將觀測領域擴大到被宇宙塵埃遮蔽，或被其他物質屏蔽的宇宙區域，揭示宇宙真面目。

　　它可以幫助我們瞭解宇宙空間中很多引人注目的天文事件，如超新星爆發、星體碰撞、雙星併合的信息。也能給我們提供宇宙最早狀態的信息[2]。可以說，有了引力波探測之後，人們就多了一雙認識宇宙的“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

　　關於宇宙的起源，一直有兩種學說分庭抗禮——大爆炸理論和穩恆態理論。

　　大爆炸理論認爲：宇宙經歷了初始高溫高密度狀態快速膨脹(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-能量分佈的起伏造成了現有的各大星系，而各大星系以及整個宇宙總是處於不斷變化和發展的過程之中。

　　然而，宇宙恆穩態理論認爲：宇宙的過去、現在和將來基本上處於同一種狀態，從結構上說是恆定的，從時間上說是無始無終的。

　　但當“宇宙微波背景”被發現後，穩恆態理論直接被“K.O”，頓時失去它的了立場。

　　什麼是“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）認爲，現在的宇宙正沐浴在早期高溫宇宙的殘餘輻射中，由於宇宙的膨脹，輻射的溫度已經被冷卻到6K。正如一個火爐雖然不再有火了，但還可以冒一點熱氣，如果可以檢測到那一點“熱氣”，即“宇宙微波背景”，就可以給大爆炸理論提供強有力的支持！

　　1964年，美國射電天文學家阿諾·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星上反射回的射電波時，他們接收到了無法解釋的一些噪音。當他們排除了一切可能性（包括天線中的鴿子糞便）後，最終發現這是一些理論學家熱切期盼的“宇宙微波背景輻射”——宇宙大爆炸遺留下的熱輻射[3]！

　　發現了“宇宙微波背景輻射”後，通過不斷髮展的望遠鏡技術，天文學家們能夠以更高的精確度測量它，並可以從中精確地測量出各種宇宙學參數。

　　天文學爲我們的生活帶來了什麼？

　　除了今天介紹的幾個重大突破以外，還有類星體、暗物質、星際有機分子和中微子等重要的研究發現……100多年的天文學發展給人類打開了一扇通往遙遠太空的大門，讓人類的發展看到了宇宙般無限的可能，並徹底的改變了我們每一個人的生活。

　　接下來就讓我們看看，天文學中都有哪些與我們的日常生活息息相關吧。

　　01

　　相對論和GPS定位系統

　　衛星就像座標系中幾個基準點一樣，知道基準點之間的距離，就不難計算出我們的座標。這聽起來不過是初中所學的解方程組，可如果對相對論一無所知，可能永遠解不出答案。衛星自身的位置如何確定又與70年前我們發現的一類奇妙的天體——類星體（Quasar）密不可分[4]。

　　最開始，GPS僅用於軍事項目，而現在已有30多顆導航定位衛星環繞着地球，爲我們日常生活保駕護航。

　　02

　　射電天文與WiFi網絡

　　約翰·奧沙利文（John O’Sullivan）在1977年合作發表了一篇高效傳輸射電望遠鏡圖像的文章[5]，基本方法就是將信號拆分成不同的頻率段來傳輸，接受器收到信號之後再重新合併起來。

　　澳大利亞最大的射電望遠鏡，曾於阿波羅11號登月時負責圖像信號接收。圖片來源：參考文獻[6]

　　這種技術可以大大降低傳輸過程中的幹擾，獲得優良的傳輸效率。可沒想到的是，這項研究成果在10多年後爲WiFi帶來了關鍵的技術突破。如今我們每人拿起手機和電腦鏈接上WiFi那一刻，或許都應該感謝他。

　　Wifi改變了生活。圖片來源：Pixabay

　　從航天育種改善農作物品質, 到環境和資源管理、計算機技術和許多工業產品；從健康和醫學儀器，到新型交通工具、公衆安全……[7]天文學的進步帶來一系列技術的進步和發展,應用到生產生活之中,產生了巨大的經濟效益和社會效益，有力地推動了文明的發展,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，天文學將會給人類帶來更多驚喜和希望！

　　致謝：

　　感謝中國科學技術大學天文系薛永泉教授對本文內容的良好建議，感謝孫謀遠博士對文章學術性的細緻審覈把關。

　　作者名片

　　參考文獻：

　　[1]什麼是脈衝星？有的脈衝星自轉速度竟高達每秒1000轉

　　[2]王運永, 朱宗宏, R.迪薩沃. 引力波天文學——一個觀測宇宙的新窗口[J]. 現代物理知識, 2016, 25(04)

　　[3]你知道幾個？這10大天文學突破

　　[4]天文學：這麼近，那麼遠

　　[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]探索宇宙奧祕給我們帶來了什麼?

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