天体物理学家Jocelyn Bell Burnel

当我第一次看到这个信号时，我无法想象现在所研究的这一切。我很高兴我注意到了那一点‘异常’，并且坚信那是真实的。

——Jocelyn Bell Burnell

今天，基础物理突破奖评选委员会宣布了基础物理学特别突破奖得主为英国天体物理学家Jocelyn Bell Burnel（乔瑟琳·贝尔·伯奈尔），以表彰她发现了脉冲星，以及在科学界中表现出的启发人心的领导力。

○ Jocelyn Bell Burnel因在1967年发现了脉冲星而获得了基础物理学特别突破奖。| 图片来源：Jocelyn Bell Burnell/Breakthrough Prizes

脉冲星是高度磁化、快速旋转且极度致密的中子星。发现脉冲星是天文学历史上最大的惊喜之一，它以一种最戏剧性的方式将中子星从科幻小说转变到现实。在许多后续的影响中，这一发现为爱因斯坦的广义相对论提供了强有力的检验，以及对宇宙重元素的起源提供了新见解。

突破奖的创始人之一Yuri Milner说：“Bell Burnell的好奇心、勤奋的观测和严谨的分析，揭示了宇宙中一些最为有趣和神秘的天体。”

基础物理学特别突破奖可以在任何时候颁发，以表彰那些非凡的科学成就。这是第四次颁发特别突破奖，之前的获奖者是霍金、带领发现希格斯玻色子的的七位CERN科学家以及探测到引力波的整个LIGO团队。

脉冲星的发现和研究

在1967年前的那个夏天，Bell Burnell作为剑桥大学的一位博士生，正在使用她导师Anthony Hewish（安东尼·休伊什）新设计的一台射电望远镜来寻找类星体（quasar）。那时天文学家对类星体的了解是，它们是非常遥远的星体，会发出忽强忽弱的不规则的射电信号。长长的数据带上，Bell Burnell在小于一英寸的区域察觉到了她称之为“颈背（scruff）”的奇怪图案，这个信号强劲且规律，她意识到这异样的背后可能蕴藏着一个新奇的事件。

○ 1967年，利用在剑桥大学的81.5兆赫的望远镜，Bell Burnell在数据带上小于一英尺的区域发现了奇怪的“颈背”图案。

这种脉冲信号精准的每隔1.337秒重复出现，而当时并没有什么已知显而易见的天文现象能产生这种规律的快速脉冲。

起初Bell Burnell想：我该不会是发现外星文明了吧！所以一开始，他们玩笑地将这个信号取名为LGM-1，它是Little Green Man这三个单词的首字母缩写，意思是“小绿人”。

但外星信号这一想法很快就被击破了，因为他们接二连三的发现这种信号，每个都有自己不同的周期。因此，这些奇异的信号必须有一个自然的解释。它必须是来自一种新的恒星，1968年，Bell Burnell在《自然》期刊上发表了这一发现。这种星体后来被称为脉冲星（pulsar）。

○ 脉冲星就如同是自然界中的奇迹一般。它们的大小与旧金山相当，但质量却可与太阳相比。它们含有大量的中子，并且以极高的速度旋转。| 图片来源：NASA's Goddard Space Flight Center

当Hewish和Bell Burnell宣布这一发现时，美国天文学家Thomas Gold建议说，这些物体可能是快速自转的中子星。Fritz Zwicky和Walter Baade曾在1934年，也就是发现中子的两年后提出了这种星体的存在。这一预言遵循的原理是，在超新星爆炸之后的遗留物将被压缩成一个具有恒星质量并且几乎完全由中子构成的致密星体。

○ 中子星的层层结构。大部分脉冲星都来自高速旋转的中子星。| 图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center

Gold认为这种中子星会快速旋转，其强烈的磁场产生的辐射束就像旋转的灯塔一样。最初他的这一理论被科学界忽视，甚至被禁止在第一届脉冲星国际研讨会议上作发表。但是，没过多久，在同年晚一点的时间，一切都发生了变化：在蟹状星云中发现了一个周期为33毫秒的脉冲星！

○ 蟹状星云其实是一个超新星遗迹，那颗超新星曾在1054年被观测到。| 图片来源：ESO

然而，到了1974年，她的导师Hewish以及Martin Ryle（马丁·赖尔）荣获了诺贝尔物理学奖，以表彰他们“在发现脉冲星方面起到的决定性作用”。而在这一发现中扮演着主要角色的Bell Burnell却没有获得该有的认可。

Edward Witten（爱德华·威滕）是这次基础物理学特别突破奖的评选委员会的主席，他说：“Jocelyn Bell Burnell对脉冲星的发现将永远是天文学史上最大的惊喜之一。在那之前，没人真正知道如果中子星确实存在的话，该如何才能观测到它们。猛然间，我们发现自然界为我们提供了一种极其精妙的方式来观测这些天体，从而导致了后来的许多的进步。”

51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，它们是一个多样化的群体。但共同点是它们都是非常致密且快速旋转的中子星。随着它们快速的旋转，脉冲星会发出一束束的射电波、可见光、X射线或伽玛射线。这种信号是如此规则，使脉冲星可以成为自然界中异常精确的时钟——能精确到千万亿分之一。这意味着自恐龙时代以来，如今正活跃的脉冲星只累积延后了约一秒的时间。

此外，脉冲星的研究为广义相对论提供了最严苛的检验，并为引力波提供了第一次观测证据。最近的那些最激动人心的天文事件中，包括了LIGO在引力波中观测到的两颗中子星的合并。这种合并是重元素（如黄金）的主要来源之一。

贯穿一生的领导力

在过去的半个世纪里，Bell Burnell从未停止过对天文学的贡献，她曾在多个研究机构任教，并在多个科研项目中担任领导角色，例如它曾是位于夏威夷的JCMT麦克斯韦望远镜的项目经理。她曾是科学、教育和STEM（科学、技术、工程和数学）课程的冠军，曾任英国皇家天文学会的主席，也是英国物理学会（IOP）和爱丁堡皇家学会的首位女性主席。目前，Bell Burnell正担任牛津大学天体物理学的客座教授。她在1999和2007年被分别授予CBE（英帝国二等勋位爵士）和DBE（高级英帝国女勋爵士），以表彰她对天文学的贡献。

在得知自己获奖后，Bell Burnell表示，这个奖项完全让她措手不及：”当我被告知这个消息时，我简直不知如何应答，对我来说这是件很不寻常的事。这是我做梦也想不到能得到的东西，这真的是一个太奇妙的惊喜。“

“总的来说，我的计划是用这笔钱来资助一些做研究型的学生，尤其是那些被忽视的物理领域中的学生。”