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诺贝尔奖与摇滚史上最著名的专辑封面

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2020年5月18日,距离快乐分队(Joy Division)乐队主唱的伊恩·柯蒂斯(Ian Curtis)在自家厨房上吊自杀过去整整四十年。自快乐分队在1979年发布的第一张录音室专辑《Unknown Pleasures》之后,一个充满科幻感“重峦叠嶂”的图案作为后朋克时代的摇滚标志出现在各种地方:T恤、帆布袋、手机壳、电影等等。


这是摇滚史上最为成功的专辑封面之一,Peter Saville负责设计的《Unknown Pleasures》专辑封面,成功到被戏称“封面比音乐出名”。也许你曾经见过这个伟大的“标志”,但你可能不知道的是,在专辑发布五年前,1974年,一位射电天文学家安东尼·休伊什(Antony Hewish)正是因为这张图片获得当年的诺贝尔物理学奖。




流行文化中使用的《Unknown Pleasures》专辑封面

01

诺贝尔奖级的新发现

从《Unknown Pleasures》专辑发布向前回溯12年,1967年10月6日,一位剑桥大学的研究生乔丝琳·贝尔(Jocelyn Bell )在射电望远镜每天产生的数十米记录纸带上标注下了一个规律的脉冲信号。那年他的导师休伊什指导设计建造了一个占地16000平方米的长波接收天线阵列。这套新的设备具备当时很多射电望远镜不具有的响应时间短的特点,能识别出信号在短时间内的“闪烁”或“脉冲”。得益于此,贝尔能敏锐地在大量数据中观察到一个周期在一秒左右的异常的规律脉冲信号。在之后的几个月中她和导师休伊什一起进行进一步的记录观察和实验,确定这是一个具有极其精确的周期(精确到千万分之一秒)——1.337302088331秒,的太阳系外辐射源。这种高频周期性的辐射源是在天文学观测中从未遇到过的,贝尔最初将其称为CP1919(代表其所在的赤经坐标19h 19m )。


贝尔发现CP1919时的一份记录。注意图中用黑色铅笔标注的刻度为10分钟每格,远大于CP1919的周期。贝尔最初所观察到的周期脉冲在箭头所指处的几十秒内。

02

“小绿人”

这样奇怪的信号是什么呢?已经发现的天体中尚没有能发出如此规律,并且周期极短的脉冲的。一时,外星智慧生物作为一种可能的解释出现过在贝尔和休伊什团队的脑海里。在当时关于“飞碟”和外星人的“发现报告”和科幻作品在西方社会正是流行,盛行的说法多把外星人描述成矮小,绿色皮肤的类人生物,CP1919便有了一个昵称——“小绿人”。这个昵称也出现在了休伊什研究组和其他天文台的非正式沟通中。再加之对CP1919发出信号频段的初步分析得出,这个信号源的大小不超过5000公里(地球半径为6371公里,太阳半径为696340公里),如此一个比行星还要小的发射源,更加增强了来自外星智慧生物的可能性。假如发射源真的来自一颗遥远行星上的智慧生物,因为行星会绕恒星旋转,一会儿向地球运动,一会儿又背离地球远去,应该会产生可观测的多普勒效应,所以多普勒效应的观测对于断定新发现的外星辐射源是否可能来自于外星人至关重要。在休伊什获得诺贝尔奖的演讲上,他提到等待多普勒效应观测结果的几周时间:

“我们那时必须面对这些信号真的是来自于一颗环绕恒星运动的行星的“人”造信号的可能。再过几周,观测就会揭示这个辐射源到底有没有多普勒效应。当时我觉得自己有义务在准确些的结果出来之前保持沉默。1967年12月的那几周绝对是我人生中最兴奋的一段时间。”

后来的观测结果表明CP1919没有展现出多普勒效应,他们判断这不是来自外星人的联络信号,而是一种新发现的遥远天体——脉冲星。到1968年底,人们已经相继发现了23颗脉冲星,并且基本确定脉冲星就是高速旋转的中子星


1968年休伊什和贝尔发表论文中的CP1919脉冲信号。

03

宇宙灯塔

脉冲星为何表现出如此规律的脉冲辐射?这要从贝尔的新发现再向前追溯35年,时值1932年。从1909年卢瑟福证明原子内存在原子核后,人们开始了漫长的探索原子内部结构的新征程。1932年詹姆斯·查德威克(Sir James Chadwick)在前人实验和理论的基础上设计出新的实验第一次确认原子中确实存在一种质量和质子相近,但不带有电荷的粒子——中子。

在中子发现后不久,苏联著名的物理学家朗道等人就预测,应该存在一种完全由中子构成的天体——中子星。其后的十来年间有许多著名的物理学家都提出了初步的中子星的理论模型,但数十年间中子星都只存在于理论模型之中,并不符合任何一种已经观测到的天体。中子星是一种致密星,即恒星演化的晚期,内部的核反应停止后,恒星会在自身的重力下坍塌成十分致密的星体。中子星的压力十分之大,以至于可以“把电子压到质子中去”形成中子,所以其内部只由排列十分紧密的中子构成。一颗具有太阳质量的中子星其大小也不会超过数十千米,其密度一般相当于把地球压缩到冠状病毒的大小(100纳米左右)。


病毒大小的地球

如此小的体积和表面积,表明中子星由于热辐射所发出的光是非常微弱的,用传统光学手段难以观测,这也是中子星停留在理论模型中数十年的原因。在恒星坍塌成中子星的过程中,随着体积的缩小,其旋转速度和散发出的磁场都逐渐被“浓缩”,最终形成一个具有高自转速度(几毫秒到几秒的时间内旋转一圈,有些比家用搅拌机还要快),表面有高强度磁场的星体。如此快速旋转的磁场会使得在磁场中运动的带电粒子发出强烈的电磁辐射,并被磁场约束到磁场两级形成两道辐射“光束”。当这样的光束扫过地球时,就产生了一个稳定的高频脉冲信号,也被称为“灯塔效应”。


中子星的光束像宇宙中的灯塔一样规律地扫过地球。

中子星稳定的频率可以作为每颗中子星独特的标号,中子星的位置可能可以用作星际定位。在1972年飞向太空的著名“先驱者号铝板”上就标注了14颗脉冲星的周期以及它们与太阳的相对位置,以期假如有外星生物获取到铝板,可以通过其上的信息对太阳系进行定位。


先驱者10号探索器上携带的铝板。左侧放射状的图像代表14颗脉冲星和太阳的相对位置。线上以二进制表示对应的脉冲周期。

04

Unknown Pleasures

Unknown Pleasures的封面正是CP1919的脉冲信号。这张图最早出现在贝尔第一次发现CP1919的3年后,1970年Harold D. Craft, Jr.的博士论文里。Harold D. Craft, Jr.在论文中分析了12颗脉冲星,通过将脉冲星每次脉冲的信号叠加在一起作图进行对比。这也阴差阳错让它成为了可能是 “最著名的博士论文” 。


流行文化中“最著名的博士论文”

图中每一条记录都代表脉冲星的光束扫过一次地球,上下两条记录的时间差就是CP1919的周期。每次脉冲的脉宽和形态大致类似,这也是中子星稳定旋转的一个表征。


CP1919信号的示意图。

宇宙深部灯塔的脉冲触动了快乐分队的成员和封面的设计师Peter Saville,以极简的风格将CP1919扮成了摇滚史上最有影响力的标志。深空诡秘的景色与音乐的美学在Peter Savile眼里融为一体,在他给快乐分队的单曲Transmission设计的“7英寸”版本封面和单曲合集 +- Singles 1978–80的封面也使用了天文学相关的图片。


+- Singles 1978–80封面。NGC346疏散星团黑白负片。

Transmission封面。

猎户座大星云彩色照片。


作者:王实

美编:刘俞伶


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