Odkrycie pulsarów

Przegląd

Odkrycie pulsarów w 1967 roku można uznać za niemal przypadkowe. Pulsary zostały odkryte przez Jocelyn Bell Burnell (1934-), wówczas studentkę na Uniwersytecie w Cambridge, która używała radioteleskopu swojego doradcy do poszukiwania kwazarów. Jej odkrycie miało znaczący wpływ zarówno na astronomów w ogóle, jak i na kobiety naukowców w szczególności. Od czasu odkrycia pulsary są uznawane przez astronomów za kluczowe dla zrozumienia natury gwiazd, zwłaszcza gwiazd egzotycznych, takich jak czarne dziury. Dla kobiet naukowców odkrycie Bell Burnell miało być inspiracją. Rzadko która kobieta naukowiec zyskiwała tak wielką sławę za swoje odkrycie naukowe. I chociaż nie otrzymała Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, którą przyznano jej doradcy za odkrycie pulsarów, to od tego czasu stała się znana za coś być może bardziej znaczącego: za pomoc w utorowaniu drogi kobietom we wszystkich dziedzinach nauki.

Tło

Odkrycie pulsarów ma za tło całą radioastronomię, a w szczególności odkrycie kwazarów. Wynika to z faktu, że zastosowanie radioteleskopów do poszukiwania kwazarów doprowadziło do odkrycia pulsarów. Historia radioastronomii i rozwoju radioteleskopów jest ważna dla odkrycia zarówno kwazarów, jak i pulsarów.

Radioteleskopy odbierają fale radiowe, a nie światło. Dlatego nie są one podobne do teleskopów optycznych, które zwykle kojarzymy z astronomią. Radioteleskopy nie mają soczewek i nie mają kształtu tuby. Zamiast tego, teleskopy radiowe składają się zazwyczaj z anten radarowych lub bardzo dużych tablic z drutów zawieszonych nad ziemią. Te „teleskopy” odbierają fale radiowe z kosmosu. W przeciwieństwie do teleskopów optycznych mogą one pracować w nocy i w dzień, a także podczas pochmurnej pogody. Odbierane sygnały mogą być wzmacniane, a następnie przetwarzane na sygnały audio i wideo, które są interpretowane przez astronomów. Jednym z problemów, z jakimi borykają się radioteleskopy, jest to, że często odbierają one sygnały radiowe pochodzące z Ziemi, wytworzone przez człowieka. Może to powodować spore zamieszanie. Takie zamieszanie było częścią historii odkrycia pulsarów, o czym będzie mowa poniżej. Najpierw jednak musimy zastanowić się nad odkryciem kwazarów.

Kwazary zostały odkryte w 1960 roku za pomocą pewnego rodzaju radioteleskopu zwanego interferometrem. Radioastronom Thomas Matthews używał tego teleskopu do uzyskania dokładnej pozycji dla obiektu określanego jako „3C 48”. Wcześniej obiekt ten był obserwowany jako niebiesko zabarwiona gwiazda. Matthews wykazał, że gwiazda ta była źródłem dużych ilości fal radiowych. W ciągu następnych kilku lat odkryto inne takie obiekty emitujące fale radiowe. Jeden z tych obiektów, nazwany „3C 273”, został dokładnie zbadany w 1962 roku. Okazało się, że jest on zarówno bardzo odległy, jak i bardzo jasny. Tak jasny, że astronomowie oszacowali, że ten pojedynczy obiekt jest tak jasny jak 100 galaktyk, czyli odpowiednik biliona gwiazd. Dalsze badania tych obiektów ujawniły, że wszystkie one mają wspólne cechy: są niezwykle jasne, duże (każdy z nich jest mniej więcej wielkości naszego Układu Słonecznego) i emitują ogromne ilości energii w postaci fal radiowych. Nazwano je quasi-gwiezdnymi obiektami radiowymi, czyli kwazarami.

Najlepszym sposobem na wykrycie kwazarów było zastosowanie techniki zwanej „scyntylacją międzyplanetarną”. Fale radiowe docierające na Ziemię z obiektów w kosmosie, takich jak kwazary, będą nieco zakłócane przez wiatr słoneczny (zjonizowany gaz), który „wieje” z naszego Słońca. Podczas gdy sygnały radiowe z kosmosu są zakłócane przez wiatr słoneczny, sygnały radiowe z Ziemi nie są zakłócane. Technika „scyntylacji międzyplanetarnej” wykrywa sygnały radiowe z kosmosu poprzez poszukiwanie zakłóceń tych sygnałów przez wiatr słoneczny; zakłócenia te są wykrywane jako migotanie lub „scyntylacja”. Aby wykryć takie scyntylacje, należało zbudować unikalne radioteleskopy.

W lipcu 1967 roku radioastronomowie z uniwersytetu w Cambridge w Anglii zakończyli budowę takiego radioteleskopu. Kierownikiem tego projektu był Antony Hewish (1924- ). Pomagała mu Jocelyn Bell Burnell, która była wtedy studentką, oraz inni wolontariusze. Budowa radioteleskopu zajęła dwa lata i składała się ze 120 mil (193 km) kabla zawieszonego na 128 parach słupów. Cały teleskop zajmował około 4,5 akra ziemi. W ramach swojej pracy doktorskiej Bell Burnell analizowała wykresy danych tworzone przez komputer teleskopu. Jej praca polegała po prostu na przeglądaniu licznych wykresów danych, znajdowaniu scyntylacji podobnych do tych wytwarzanych przez kwazary, a następnie nanoszeniu ich pozycji na mapy nieba. Nie mogła wiedzieć, że to pozornie prozaiczne zadanie doprowadzi do niezwykłego odkrycia.

Wpływ

Praca Jocelyn Bell Burnell przy radioteleskopie była rutynowa przez około dwa miesiące, do sierpnia 1967 roku. W dniu 6 sierpnia teleskop wychwycił źródło radiowe, którego sygnały pojawiały się w postaci impulsów. Początkowo Bell Burnell myślała, że te impulsy to tylko „niechlujstwo”, ponieważ nie wyglądały na kwazary, których szukała. Po pewnym czasie zdała sobie sprawę, że te impulsy „scruff” pojawiały się z niezwykłą regularnością. Początkowo ani Bell Burnell, ani jej doradca Hewish nie sądzili, że odkryli coś nowego. Sądzili, że jest to sygnał radiowy wyprodukowany przez człowieka, być może odbity od Księżyca, satelity lub nawet pobliskiego budynku, który wrócił do ich teleskopu. Jednak już w listopadzie zdali sobie sprawę, że tak nie jest, że tajemniczy sygnał faktycznie pochodzi spoza naszego Układu Słonecznego. Co zadziwiające, jego impulsy fal radiowych pojawiały się z tak dużą regularnością – raz na 1-1/3 sekundy – że Bell Burnell i Hewish pomyśleli, że źródło może nie być naturalne. Dla żartu powiedzieli, że sygnał musi pochodzić od „Małych Zielonych ludzików” i tak nazwali pulsujące źródło radiowe LGM1.

W następnym miesiącu, grudniu 1967 roku, Bell Burnell analizował dane z innej części nieba i znalazł inne regularnie pulsujące źródło radiowe o nieco krótszym okresie 1-1/5 sekundy. A potem, podczas świąt Bożego Narodzenia, odkryła jeszcze dwa takie pulsujące źródła. Tak więc w styczniu 1968 roku, Bell Burnell i Hewish wiedzieli, że odkryli nową klasę obiektów w kosmosie. Swoje odkrycie ogłosili w lutym 1968 roku w artykule w czasopiśmie Nature. Ogłoszenie było sensacyjne, a wkrótce potem obiektom nadano nazwę pulsarów.

Ale jakiego rodzaju obiektami były te pulsary? Kilka miesięcy przed odkryciem Bella Burnella, astronom Franco Pacini, pracujący wówczas na Uniwersytecie Cornella w Nowym Jorku, opublikował pracę, w której dowodził, że szybko rotująca gwiazda neutronowa, gdyby taka istniała, miałaby bardzo silne pole magnetyczne, a zatem byłaby potężnym źródłem promieniowania. W czerwcu 1968 roku, wkrótce po ogłoszeniu odkrycia pulsarów, Thomas Gold (1920- ), również z Cornell University, opublikował w Nature pracę, w której zidentyfikował pulsary odkryte przez Bella Burnella z teoretycznie rotującymi gwiazdami neutronowymi wskazanymi przez Paciniego. W ten sposób okazało się, że pulsary były szybko rotującymi gwiazdami neutronowymi. Emitowały one fale radiowe o wysokiej intensywności ze swoich biegunów magnetycznych. Ze względu na ich szybką rotację, fale radiowe pulsarów są wykrywane jako „impulsy”, podobnie jak światło „pulsujące” w latarni.

Jednym z najciekawszych rezultatów odkrycia pulsarów były kontrowersje dotyczące tego, kto właściwie je odkrył. W 1974 roku Antony Hewish i Sir Martin Ryle (1918-1984) otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoją pracę w radioastronomii. Hewish został doceniony za rolę, jaką odegrał w odkryciu pulsarów. Jocelyn Bell Burnell nie podzieliła nagrody. Nie uważano jej za odkrywczynię pulsarów; w tamtym czasie była jedynie studentką, a komitet noblowski uważał, że nagroda powinna trafić do naukowca z długim i ugruntowanym dorobkiem badawczym. Jej wykluczenie z Nagrody Nobla doprowadziło wielu wybitnych astronomów, w tym Thomasa Golda, do skargi, że Bell Burnell była w rzeczywistości odkrywczynią pulsarów i dlatego powinna była otrzymać nagrodę.

W tym wszystkim Bell Burnell nie narzekała. Powiedziała, że „Nagrody Nobla są oparte na długotrwałych badaniach, a nie na błyskawicznej obserwacji studenta.” Zdobyła wiele innych nagród, medali i wyróżnień za swoje odkrycie pulsarów i stała się inspiracją dla kobiet naukowców. Mieszkając w Anglii, uważa siebie za „wzór do naśladowania, rzeczniczkę, przedstawicielkę i promotorkę kobiet w nauce w Wielkiej Brytanii”. I bez wątpienia zainspirowała kobiety naukowców na całym świecie.

Odkrycie pulsarów wpłynęło na naukę i społeczeństwo na dwa znaczące sposoby. Po pierwsze, było to niesamowite odkrycie dla astronomów. Nie tylko potwierdziło ono istnienie teoretycznej gwiazdy neutronowej, ale także umożliwiło naukowcom dokonanie postępu w astrofizyce, szczególnie w ich teoriach dotyczących zapadania się gwiazd i powstawania czarnych dziur. Co więcej, pulsary są najbardziej regularnymi „zegarami” we wszechświecie. Umożliwiły one naukowcom przeprowadzenie ważnych testów ogólnej teorii względności Alberta Einsteina.

Po drugie, odkrycie pulsarów rzuciło światło na ważną rolę kobiet w nauce. Być może bardziej zaskakujące niż fakt, że odkryto nowy typ gwiazdy, było to, że odkryła go kobieta. W 1967 roku było stosunkowo niewiele kobiet o ugruntowanej pozycji w nauce. Jocelyn Bell Burnell była wtedy i nadal jest ważnym przykładem dla kobiet naukowców. W 1991 r. została profesorem fizyki na Open University w Anglii. Wkrótce po jej nominacji liczba kobiet profesorów fizyki w Wielkiej Brytanii podwoiła się.

STEVE RUSKIN

Dalsza lektura

Książki

Lyne, A. G. i F. Graham-Smith. Pulsar Astronomy. Cambridge: Cambridge University Press, 1990.

North, John. The Norton History of Astronomy and Cosmology. New York: W. W. Norton, 1995, s. 563-66.

Periodical Articles

Bell Burnell, Jocelyn. „Małe zielone ludziki, białe karły, czy co?” Sky & Telescope (March 1978): 218-21.

Reed, George. „The Discovery of Pulsars: Was Credit Given Where it was Due?” Astronomy (grudzień 1983): 24-28.

Woolgar, S.W. „Writing an Intellectual History of Scientific Achievement: The Use of Discovery Accounts.” Social Studies of Science 6 (1976): 395- 422.