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有普遍磁场和比较强的局部磁场的等离子体气体的物理过程有关。
阿尔文是第一个指出宇宙中充满磁场和等离子体的学者。1937年在他29岁的时候,首先提出:“银河系的星际空间到处都存在磁场”。到60年代测出银河系磁场的分布之后才最后证实阿尔文的假设。事实上,宇宙中到处都存在着磁场。不久他又提出星际空间充满着等离子体。等离子体是物质的第四种状态,物质变为等离子体状态则是在温度非常高的情况下出现的。可以说,太阳和其它恒星是一个个温度很高的等离子体气体球。星际气体的温度比较低,但其周围的恒星辐射或高速星风作用也会使其电离而成为等离子体。宇宙中几乎99%的物质都是等离子体。
中性粒子在磁场中不会受任何影响。但是,带电粒子就不一样,它要受到磁场的罗伦兹力的作用,带电粒子的运动又会产生磁场。等离子体是流体就要遵从流体力学的规律,当它在磁场中运动又要遵从电动力学的规律。只用流体力学或只用电动力学都是不能解决像太阳和恒星这样的既有磁场又充满着等离子体的天体上发生的种种现象。阿尔文从事太阳活动区物理的研究促使他研究太阳磁流体力学的新理论。1948年阿尔文出版《宇宙动力学》,1963年又出版《宇宙电动力学》专著,总结了磁流体力学的基本原理和在天体物理学中的应用。他成为这门新兴学科的奠基人,也为此,阿尔文荣获1970年的诺贝尔物理学奖。
阿尔文当时提出的一些关于太阳活动现象的理论模型,后来被证实不太成功,有些学者对他获奖提出一些非议,甚至认为因为他是瑞典人而受到“照顾”。现在看来,他建立起来的磁流体力学已经成为一门严谨的新学科,成为研究宇宙天体的主要理论基础之一。早期一些解释太阳活动现象的理论模型不完善、不成功并不影响他获得诺贝尔物理学奖的殊荣。
2.赖尔荣获1974年度诺贝尔物理学奖
射电天文学是20世纪40年代第二次世界大战后迅速发展起来的。到了60年代就有了重要发现,脉冲星、星际分子、微波背景辐射和类星体的发现成为20世纪中最为耀眼的天文学成就。由于望远镜的分辨率与它的口径成正比,与观测波长成反比。为了提高射电望远镜的分辨率,必须增大望远镜天线的口径。由于射电波段的波长远比可见光长,导致口径相同的情况下分辨率要比光学望远镜差5个数量级左右。而且成像能力极差,不能像光学望远镜那样给出天体的视觉图像。单天线射电望远镜给出铅笔束状的方向图,可以用逐点观测的方法把一个射电源的强度分布画出来。但只能给出范围很大的粗略的射电强度分布图。射电望远镜的发展受到非常大的制约。
英国天文学家赖尔在第二次世界大战期间,应征入伍。他的无线电专长曾帮助他立下了战功。二战结束后,赖尔回到剑桥大学卡文迪什实验室。刚刚发展起来的射电天文还十分幼稚,他面临巨大的困难,但却也获得了绝好的机遇。他发明的综合孔径射电望远镜,在分辨率、灵敏度和成像技术等方面都可以与光学望远镜相媲美。
综合孔径望远镜是一种化整为零的射电望远镜。一个直径非常大的连续面天线,可以看成是许许多多小天线的组合。只要用其中一些有代表性的小单元天线同时观测天体,可以达到大连续面天线差不多的结果。如果射电源是稳定的,不同的小单元还可以在不同时间进行观测。当然,观测资料的处理比较麻烦,是一个聚零为整的过程。这种用小天线组成的综合孔径射电望远镜不仅可以得到和“等效大天线”直径那样的单个大型抛物面的分辨率,还能给出射电源的强度分布图。
1971年,赖尔领导建成剑桥大学的等效直径5千米综合孔径射电望远镜标志着综合孔径技术已经成熟。8面口径为13米的抛物面天线排列在5千米长的东西基线上,4面天线固定,4面可沿铁轨移动。结果得到的角分辨率约为1角秒,历史性的给出一批延展射电源的结构图。赖尔开辟了射电望远镜分辨率赶上和超越光学望远镜的新时代,他由此荣获1974年度诺贝尔物理学奖。
3.休伊什荣获1974年度诺贝尔物理学奖 直到1930年,物理学家还不知道原子核中有中子存在。中子发现的意义远远超出原子物理学的范围,很快就向天体物理学提出挑战:在宇宙中有“完全由中子组成的恒星?”物理学家很快就给出了中子星的模型,并提出中子星是超新星爆发的产物。然而,30多年过去了,关于中子星的预言依然没有得到证实。中子星在哪里呢?
1965年,休伊什用行星际闪烁方法测出蟹状星云中存在一个致密成分,他认为这个致密成分可能是公元1054年超新星爆发的遗留物。可惜,他并没有认识到这个致密源就是中子星,与发现中子星擦边而过。那时,他和所有的天文学家都不知道中子星的辐射主要在射电波段,也不知道中子星的辐射是周期短到秒甚至毫秒的脉冲形式。(右图为休伊什和贝尔 ) 1963年发现的类星体轰动了科学界,这也促使休伊什要研制一台高灵敏度的观测“行星际闪烁望远镜”,以利用行星际闪烁的方法发现更多的类星体。接收机的时间分辨率选在0.1秒,恰好比大多数脉冲星的周期短,这也就成为最适合发现脉冲星的“专用望远镜”。
1967年7月,行星际闪烁望远镜建成投入观测,休伊什的博士生乔丝林·贝尔负责观测。8月,贝尔注意到一个发生在深夜的“闪烁源”很不寻常,在排除了人为干扰和确认这个信号遵守恒星时之后,又发现这个“信号”是具有1.33秒准确周期的脉冲。在当时,任何已知天体的辐射都不会具有这样的短周期性,因此怀疑这个信号可能是地外生物“小绿人”发来的信号。经过一系列的实验,否定了小绿人的看法。最后,终于确认是一种新型的天体的辐射,取名为脉冲星。脉冲星的发现证实了中子星的存在,不仅为天文学开辟了一个新的领域,而且对现代物理学的发展也产生了重大影响,成为20世纪60年代天文学的四大发现之一。
休伊什因发现脉冲星并证认为中子星而荣获1974年度诺贝尔物理学奖。他的获奖是当之无愧的,但贝尔博士未能和休伊什一起获得诺贝尔奖却令人感到惋惜。由于贝尔对观测中出现的“新现象”穷追不舍,抓住极易与“干扰”混淆的短促脉冲信号不放,导致脉冲星的发现。作为脉冲星的最先发现者,贝尔的功绩是不可磨灭的。
1980年,天文学家在一次世界性的脉冲星学术会议上,把乔丝琳·贝尔博士和休伊什教授都邀请来了,把他们俩在会议上的合影登在会议论文集的第一页上,并冠以“脉冲星发现者的再次会见——乔丝琳·贝尔博士和休伊什教授”的文字说明。这代表了当代脉冲星学者的心声,他们把脉冲星发现者的桂冠“戴”在贝尔博士的头上,弥补那不能更改的遗憾。
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