荣获诺贝尔物理学奖的天文项目回顾（三）

       
        按照广义相对论理论的预言，宇宙空间中可能存在引力场及引力波，人们在地球上的实验室中建造了许多探测宇宙引力波的仪器装置，可均未捕捉到过有关引力波的可靠信号。引力波的探测成为一项为物理学家们牵肠挂肚的重大课题。辐射比较强的引力波源都是天体系统，因此探测引力波也是天体物理学研究的重大课题。任何一种新的理论都需要观测和实验来验证。然而，有关引力波理论的验证让人们等了半个多世纪。

　　1968年泰勒获得博士学位后，立即投入发现才1年的脉冲星的观测研究，为了搜寻周期更短、距离更远、流量更弱的脉冲星，他筹划了一个技术先进的脉冲星巡天计划。选定了阿雷西博这个世界最大的天线、研制了有消色散能力的接收机和应用计算机来处理观测资料。

　　执行这一巡天观测的是他的学生赫尔斯，他以惊人的毅力和工作热情顺利完成了140平方度天区的观测和资料处理，在当时脉冲星仅有100颗的情况下，一下子增加了40颗，对脉冲星的观测研究有巨大的促进。特别是发现了第一个脉冲双星系统，更使这一次巡天观测成果身价百倍。

　　这第一个射电脉冲双星非同一般，它是一个轨道椭率很大、轨道周期很短的双中子星系统，可以成为验证引力辐射存在的空间实验室。根据广义相对论理论推算，这个双星系统的引力辐射很强，将导致它的轨道周期发生变化，其变化率为 秒/秒。只要在观测上能测出这个双星轨道周期的变化，就可以对广义相对论预言的引力波是否存在作出判断。 

　　泰勒教授在发现这个双星以后，全力投入到引力波验证的研究中，20多年坚持不懈。他利用世界上最大的305米射电望远镜进行上千次的观测，最后得到的观测值和广义相对论理论预期值的误差仅为0.4％。终于以无可争辩的观测事实，证实了引力波的存在。赫尔斯和泰勒荣获1993年度的诺贝尔物理学奖是众望所归，当之无愧的。

　　8.卡尔多·贾科尼荣获2002年度诺贝尔物理学奖 

　　X射线是由德国著名物理学家伦琴在1895年发现的。1948年，美国天文学家利用高空火箭接收到了太阳的X射线辐射，这是人类首次接收到天体的X射线辐射。1962年6月，美国麻省理工学院以卡尔多·贾科尼为首的天文学家小组对原来的探测方法进行了改进，他们从高空火箭的资料中意外发现了天蝎座方向的强大X射线源，同时发现了宇宙X射线弥漫背景。这一发现揭开了X射线天文学的序幕，人们对天体X射线的关注程度大大提高。                    
　　　　 　　　　　　　　　
　　人类对于天体X射线辐射的观测和研究举步维艰。X射线天文学获得长足发展是在X射线天文卫星发射上天以后。卫星可以在太空停留好几年，也能携带更多的探测设备，相当于在太空中建了一个天文台。最先用于X射线观测的卫星是美国NASA的小型天文卫星系列（SAS）。虽然功能较差，但它们得到的开创性成果依然显赫。

　　X射线天文观测发展中遇到的最大困难是它的分辨率无法与光学或射电望远镜相比。早期的X射线探测器采用高能物理实验用的正比计数器、闪烁计数器等。但是，计数器本身没有任何成像和定向功能，方向性很差。这也是早期的X射线观测很难确定辐射源位置的原因。掠射式X射线望远镜的发明是关键性的进展，解决了困惑天文学家多年的一大难题。

　　在X射线天文学的发展过程中，应属卡尔多·贾科尼的贡献最大，他一直站在这个学术领域的最前沿，推动着X射线天文学不断地发展。1970年他参与发射第一颗“自由”号X射线卫星，新发现接踵而至，最大的成功是发现和证实了一类新的X射线源—X射线双星。贾科尼参与领导研制的爱因斯坦天文台首先配置了一架口径为58厘米的掠射式望远镜，一下子把分辨率达到几个角秒，能对各类X射线天体进行成像和光谱的观测。他积极推动并亲自参与设计的钱德拉X射线天文台成为当今进入太空的最先进、最强有力的观测设备，分辨率和灵敏度最高的X射线观测设备。他成为X射线天文学开创者的代表，获得2002年度的诺贝尔物理学奖。 

　　9.戴维斯和小柴昌俊共同荣获2002年度诺贝尔物理学奖

　　太阳的能量来自四个氢原子核合成为一个氦原子核的聚变反应。每形成一个氦原子核就会释放出２个中微子。太阳每秒钟要消耗5.6亿顿氢，释放1.4×10³⁸个中微子，即每秒要释放1百多万亿亿亿亿个中微子。地球表面每平方厘米的面积上，每秒钟就要遭受到几百亿个太阳中微子的轰击。由于中微子不带电，质量几乎为零。没有电磁相互作用，也没有核子（质子和中子）间的强相互作用，中微子几乎不与任何物质发生作用，因此极难探测。上百亿个中微子穿过像地球那么大的探测器，要探测到其中的一个也很不容易。曾被认为，不可能探测到太阳中微子。 

　　第一个敢于探测太阳中微子的科学家是美国布鲁黑文实验室的物理学家戴维斯。他在20世纪50年代发明一种中微子氯探测器，其原理是中微子可以与氯元素的原子核发生核反应，生成放射性同位素氩。用化学提纯的方法把生成物氩提取出来，从而得知有多少中微子参加反应。在经历30年漫长岁月的探测中，他共发现了来自太阳的约2000个中微子。然而，他们所探测到的中微子数目比理论预期的要少很多，仅为理论值的1/3，另外2/3的太阳中微子不见了。这就成为著名的太阳中微子失踪之谜。（右上图为戴维斯，右下图为小柴昌俊） 

　　上世纪70年代初，日本核物理学家小柴昌俊利用中微子与水中的氢和氧原子核发生反应有可能产生一个高速电子的原理制成了中微子水切伦柯夫探测器。探测到太阳中微子，太阳中微子短缺现象依然存在。特别是，这种探测器探测到1987年发生在大麦哲伦云中的超新星发射来的12个中微子，给天文学家以惊喜。

　　戴维斯和小柴昌俊因为打开了中微子天文学的大门，开创了中微子天文学新学科而共同荣获2002年度的诺贝尔物理学奖。