射電望遠鏡是怎麼發現脈衝星的？

掐指一算，明年（2017年）就是脈衝星發現50周年了。站在目前——我國500米口徑球面射電望遠鏡（Five hundred meters Aperture Spherical Telescope，簡稱FAST）即將建成並投入早期科學觀測——的時間節點上看，還是頗具意義的。

感嘆完畢，來聊聊我們的主角 「小綠人一號」 吧~

一切的起因，來自於1967年，當時還是劍橋大學一名在讀研究生的Jocelyn Bell（1943~）奶奶發現他們的望遠鏡——Mullard射電天文台的「行星際閃爍陣列（Interplanetary Scintillation Array ）」——記錄到了一些奇怪的數據。

Jocelyn Bell， 1970 （圖源：This Month in Physics History: February 1968: Discovery of pulsars announced.）

然而我們不妨把故事開始的時間再往前推移兩年。1965年，Bell和她的小夥伴們，哦不~同學們，在他們導師 Anthony Hewish 的帶領下，開始建造他們的望遠鏡——行星際閃爍陣列。這是一個低頻（觀測頻率為81.5 MHz，對應波長3.7米）射電陣列，顧名思義，它是用來研究行星際閃爍（Interplanetary scintillation）的。這個天線陣列由超過2000根偶極子天線組成（在1978年升級到超過4000根天線），佔地16000平方米。Bell和她的同學種了兩年，直到1967年7月（其實這個是陣列開始使用的時間），才種完這2000多根天線。而種完天線之後，Bell她們迎來了收穫的季節——平均每天檢查大約30米長的紙帶數據！是的，當時的條件就是這樣。望遠鏡觀測到的數據記錄到紙帶上面，然後人眼慢慢看，慢慢找想要的信號。

行星際閃爍陣列（圖源：University of Glasgow:IPS）

行星際閃爍陣列，這台為了研究行星際閃爍而特意設計的具有極高時間解析度（在當時的水平來說）的望遠鏡，沒有讓Bell她們失望【這說明，儀器設備的先進性對天文觀測是很重要的！】。沒過多久（具體我也搞不清是過了多久，好像是1967年8月），Bell就發現望遠鏡記錄到了一些奇怪的信號。她認真地檢查這些觀測數據，種種跡象表明，這應該是一個來自外太空的、在當時無法解釋的信號！這是一個脈衝信號，有嚴格的周期性——每隔1.3373011秒出現一次，每天出現的時間都提前大約4分鐘——這很好地表明該信號應該來自地球之外。對於Bell和她的導師來說，這個信號不大可能來著某個天體，因為他們認為如果是的話，這個天體變化的太快了，1.3秒，不可思議！無法解釋！於是，他們給這個信號起了一個昵稱——小綠人一號（Little Green Man 1，LGM-1）。是的，他們懷疑這是外星文明發出的信號。

第一顆脈衝星（正式名稱 CP1919，或 PSR B1919+21或 PSR J1931+2153）的觀測記錄數據。你說Bell她整天看這種數據找信號容易么？！容易么？！容易么？！（圖源：23-01）

1968年1月底，Hewish和Bell在Nature期刊上發表了一篇論文，公布了小綠人一號的發現，而在此之前，截止1967年底，Bell他們已經發現了4顆小綠人了。如果你只發現了一個奇怪的信號，那麼大家基本都會懷疑是觀測出了什麼問題，但如果發現了好幾個，那麼其他天文學家就不得不開始重視了【天文學家就是如此嚴謹！文章末尾插播一則類似的故事。】。各地的天文學家開始想辦法觀測已有的小綠人，並試圖尋找新的小綠人。截止1968年，人們發現的小綠人就已經達到了21顆。這時，小綠人也早已經有了自己的新名字——脈衝星（Pulsar）。
雖然早在1934年，Walter Baade 和 Fritz Zwicky 兩人就提出了中子星的概念，但Bell他們並沒有意識到自己發現的是人們期待已久的中子星。將脈衝星與中子星聯繫起來的，是另一個天文學家——Thomas Gold。然而Gold一開始自己也不太信自己提出的這個設想，直到後來（1968年間的事情）美國的阿雷西博望遠鏡發現了著名的蟹狀星雲脈衝星，其數據支持了Gold的設想，此後大家也都接受了 「脈衝星=旋轉中子星」 這個設定。

想必1968年的天文學界是相當熱鬧的。雖然在1968年脈衝星就已經基本認定為旋轉中子星了，但還有好多好多問題並沒有解決，那就是另外的故事了。

--------------- 2016.3.5 更新 【諾貝爾獎之爭】 ----------------
1974年，諾貝爾物理學獎授予了Bell的導師 Hewish 和 Hewish 當時所在團組老大 Martin Ryle，以獎勵他們在「脈衝星及高密度物理（Pulsars and High Density Physics）」所作出的貢獻。大多數的人都覺得 Bell 也應該因此共享諾貝爾獎。對於這一爭論，我這裡不想多作分析，直接引用 Bell 奶奶在一次 「餐後演講（after dinner speech）」 中所說的話，原文如下：

There are several comments that I would like to make on this: First,
demarcation disputes between supervisor and student are always
difficult, probably impossible to resolve. Secondly, it is the
supervisor who has the final responsibility for the success or failure
of the project. We hear of cases where a supervisor blames his student
for a failure, but we know that it is largely the fault of the
supervisor. It seems only fair to me that he should benefit from the
successes, too. Thirdly, I believe it would demean Nobel Prizes if they
were awarded to research students, except in very exceptional cases, and
I do not believe this is one of them. Finally, I am not myself upset
about it -- after all, I am in good company, am I not!

演講全文：Little Green Men

中文翻譯（學渣表示，能看英文的別看我的翻譯版。。。）：

關於這點（指諾貝爾獎爭議），我想做如下幾點聲明：一、劃清導師與學生之間的爭端總是很難的，甚至是不可能的；二、導師是最終對項目成敗負責的人。我們聽到一個導師把失敗歸因與他的學生時，都會覺得那更有可能是錯在導師。對我來說，他（指導師Hewish）應該受益於項目的成功，這點聽起來也是公平的。三、我相信，除非是在十分特殊的情況下，否則如果諾貝爾獎頒發給一個研究生，會貶低了諾貝爾獎。我並不覺得我的情況屬於「十分特殊」之列。最後，我本人並不因此而煩惱——畢竟，我並不是特殊的人，不是么？

參考材料連接：
Pulsar PSR B1919+21 This Month in Physics History: February 1968: Discovery of pulsars announced. A Science Odyssey: People and Discoveries: Bell and Hewish discover pulsars Thomas Gold

---------------- 說好的另一則故事 ----------------------

前面說到，天文學家是很嚴謹的，你就發現一個奇怪的信號人家是不太信的。你要發現多了，人家，人家就會一窩蜂上去「搶」。。。。。脈衝星算是受到了這種待遇，只是很快發現了其他脈衝星，所以不至於冷落太久。另一個能夠更好說明這點的，是快速射電暴（Fast Radio Burst，FRB）的境遇。

2007年，業內著名的Lorimer大師在澳大利亞Parkes射電望遠鏡的觀測數據裡面找到一個好玩的單脈衝信號。這個信號有跡象表明應該來自銀河系外的天體，但如果真是這樣的話，這個脈衝信號就太強太強了。強到需要類似兩顆中子星相互碰撞這種極端條件才能產生。這麼好玩的觀測結果，當然要像發現第一顆脈衝星一樣發個Nature來搞個大新聞！於是，Lorimer他們就發了一篇Science。然後，就沒有然後了。。。。

Lorimer就這麼等啊等啊【大霧！】，一直到了2013年，另外一幫以Thronton為首的天文學家們又從Parkes望遠鏡的數據中找到4個類似的脈衝信號，發了一篇Science之後，天文學界才開始為之躁動起來！【請原諒我無視2011年Keane等人發現的那個信號。嗯，反正無視那個信號的人也不差我一個。】

天文學家終於開始努力找FRB了。不過這東西實在是不好找啊！截止目前（2016年3月2日），人們發現的FRB總的只有16個，並且不能很好地說明FRB產生的對應天體。嗯，大家快上！搞不好就拿到諾獎了！

可愛的Parkes射電望遠鏡（圖源：Putting Einstein to the ultimate test）