The Climb
天文学家约瑟琳·贝尔·伯奈尔对罗纳德·德雷弗的评价是：“他富有创造性，而且以此为荣。”为了学习物理学知识，约瑟琳从北爱尔兰来到格拉斯哥大学，罗纳德成为她的研究生导师。他经常把自己大脑里的有趣想法，分享给他指导的几名学生，其中就包括催生休斯–德雷弗实验的那些想法（不过，她当时并没有意识到，罗纳德是在他乡村的家里完成这个实验的）。但是，这些对学生们的考试成绩没有任何帮助。刚开始的时候，因为罗纳德不愿意在学生们完成固态物理学作业时提供任何帮助，约瑟琳对他十分不满。但是后来，罗纳德在基础物理学上的深邃见解以及他的实验天赋都让她折服。研究生期间得到罗纳德指导的约瑟琳毕业后取得了一些重要发现，并且反过来对罗纳德产生了影响。罗纳德给约瑟琳的评价是：“显然，她在学生当中出类拔萃……因此，我对她非常了解。”20世纪60年代中期，约瑟琳前往英格兰的乔德雷尔–班克天文台求职时，罗纳德还帮助她给这个在射电天文学领域里占据重要地位的机构写了一封推荐信。但是，罗纳德说：“乔德雷尔–班克天文台不愿意接受约瑟琳，因为她是女性。当然，他们的正式理由不是这个。约瑟琳非常失望。”为了凸显其荒谬之处，他又补充了一句：“约瑟琳的第二选择是去剑桥大学。你明白了吧？”罗纳德认为，这是一个纯属偶然而又非常不错的转折点。他笑着说道：“于是，她去了剑桥大学，并且发现了脉冲星。你明白了吧？”
在职业生涯后期，约瑟琳·贝尔·伯奈尔转而研究X射线天文学，并参加了研制“羚羊”5号X射线天文卫星的英美合作小组。1974年10月10日的清晨，“羚羊”号卫星成功发射，当天中午，脉冲星发现者被授予诺贝尔物理学奖的消息传到了约瑟琳的耳朵里。对她来说，这则消息有两个特别的意义。第一，诺贝尔委员会终于承认天体物理学是有资格获得诺贝尔奖的物理学分支。20世纪20年代，埃德温·哈勃发起过一场运动，试图改变天体物理学的学术地位，但是没有成功。第二，她的名字没有出现在获奖名单上，这个奖项被颁给了安东尼·休伊什和马丁·赖尔。
约瑟琳那时24岁，是剑桥大学的研究生，与她的导师安东尼·休伊什一起，致力于类星体的探索工作。所谓类星体，就是在地球上看像星星那么小的明亮的射电源。在她奔波在野外安装射电望远镜的那个年代，类星体仍然被人们称作类似恒星射电源，而且这些射电源在人们眼中还是十分神秘的存在。射电望远镜在发现类星体方面效果不错，但在辨识这些类星体的体积时却作用不大。此外，射电望远镜还显著地改变了天体物理学的发展进程。在记录纸上记录的内容，除了被探测到的类星体外，还有大量的错误和异常现象。他们使用的记录纸非常多，因此他们以英尺[1] 为单位，来表示记录纸的数量。约瑟琳一丝不苟地检查了几百（或者几千）英尺长的记录纸。大多数的异常现象都是人造光源或者某种形式的探测器干扰造成的。但是，有一个奇怪的信号不断出现。约瑟琳最后认为，这些信号肯定来源于某种星体，而且她逐渐意识到她的这个发现具有非常重要的意义。就像媒体经常报道的那样，由于这个信号不断出现，圈子里的人给它的来源取了一个“LGM”的绰号，意指“小绿人”（little green men）发来的信号。进一步的研究表明，与这些智慧的“小绿人”文明所制造的“产品”相比，还有一些“时钟”走时更加精准，这就是后来发现的脉冲星。
脉冲星是高度磁化、高速旋转的中子星。脉冲星的磁场强度超强，通常是地球磁场强度的数百万至数万亿倍，在极个别情况下可达到数千万亿倍。所有中子星的质量都不到太阳的两倍，直径不足30千米。中子星的旋转速度很快，每秒可以转一圈至几百圈。粒子经过磁场加速后，速度可以接近光速，发出强如灯塔光束的光。在这种由致密物质构成的近似完美的球体高速旋转时，这些光束也向周围发射。众所周知，一茶匙的中子星物质与地球上的一座山的质量大致相仿。中子星上的引力非常强，人在那里会被液化，融入星体里的致密物质。因为引力作用非常强，中子星表面不会出现不规整的现象。一旦有山脉隆起，就会被引力拉平。在一颗典型的中子星表面，不规整的程度非常小，10厘米的隆起就可被视为山峰。不过，具体情况取决于中子星的外壳。目前，人们对中子星的外壳还不是非常了解。中子星的旋转有很强的规律性，因此会在数据流中产生固定周期的信号。当中子星的光束以一定的时间间隔从地球表面掠过时，可以产生极其精准的计时效果，在某些情况下，它的精准程度甚至超过最精确的原子钟。当然，当约瑟琳·贝尔·伯奈尔于1967年发现第一颗脉冲星的时候，她可以做出两个确定的推断：第一，这一系列的脉冲信号呈现出很强的规律性，脉冲率约为每秒一次；第二，它们来自宇宙深处。
约瑟琳回忆说，当数据中第二次出现这样的信号时，“她感到异常兴奋”。因为她知道，这种奇怪现象正在逐渐表现出重大发现的一些特征，“一旦发现一个有规律的信号，就会接二连三地发现更多有规律的信号”。就这样，她发现了人类有史以来发现的第一到第四个脉冲星。
一年之后，人们在蟹状星云的中心位置发现了一颗脉冲星。蟹状星云是超新星爆炸后抛射出的明亮残骸。1054年，地球上的人第一次观测到蟹状星云，并在历史文献中记录下这个天文现象。这颗脉冲星的发现表明，中子星是恒星发生引力坍缩形成的。现在，人们推断银河系里有上亿颗中子星，其中有几十万颗是脉冲星。
成为诺贝尔物理学奖的得主，休伊什可谓实至名归，因为正是在他这位导师的安排下，他的学生才会完成这项任务的，尽管休伊什当初的安排是让约瑟琳寻找类星体。不过，让人们更难理解的是，获奖名单中为什么没有约瑟琳·贝尔·伯奈尔的名字？我问约瑟琳，她是否认为休伊什应该做点儿什么，她的回答中没有任何怨言：“如果获奖的人是你，你也不需要解释你为什么能够获得这个奖项。”她接着补充道，这对她来说未必是坏事，她后来因此获得了几乎所有的奖励、勋章、荣誉和嘉奖。她的意思似乎是说，她得到了相当多的补偿。苏珊·约瑟琳·贝尔·伯奈尔女爵获得的荣誉和奖励有：英国爵级司令勋章、皇家天文学会主席、苏格兰爱丁堡皇家天文台高级研究员、英国皇家学会会员，以及多个重要勋章和几十个荣誉博士头衔等。
在这场理论界的辩论中，脉冲星旗帜鲜明地表明了它们的立场。人们已经在银河系中与我们相距几百光年的位置，发现了像灯塔一样发出耀眼光芒的中子星。50年来，人们一直在思考引力坍缩的终极状态，惠勒当年也认为这是一个极其重要的问题。如今，这个问题把天文学家们带到了这个重要抉择的面前。脉冲星是可以证明中子星真实存在的第一个证据。如果中子星是恒星引力坍缩的产物，那么黑洞有可能同样如此。爱因斯坦认为黑洞（“黑洞”这个名称当时还没有出现）这个答案具有一定的数学价值，但是在适用性上还有诸多限制，因为恒星物质对这种灾难性坍缩具有抵制作用。不过，核武器的设计者们却得出了一种与爱因斯坦不同的结论。如果在死亡的过程中，恒星留下的残骸质量足够大，那么这些残骸必然无法摆脱坍缩的命运。在变成中子星后，还会发生爆炸，然后继续坍缩，直至变成黑洞。但是，理论上的对峙往往无法通过直接观察等方式予以彻底解决。约瑟琳·贝尔·伯奈尔发现了中子星存在的证据，这个发现本身就具有令人着迷的魅力。此外，它还会让人们产生新的憧憬，即证明黑洞存在的憧憬。（据说，一位德高望重的同行在1970年国际天文学联合大会期间找到约瑟琳，并大声对她说：“贝尔小姐，你完成了20世纪最伟大的天文发现！”）
尽管脉冲星的发现使黑洞的存在显得更加可信，但在得到广泛认同之前，人们可能还需要用几十年的时间，通过观察耐心地收集数据。在天鹅座中，就存在一个天体物理学意义上的黑洞。与其他所有星座一样，天鹅座中恒星的位置也具有随意性，位于星座边缘位置上的不同恒星与地球之间的距离可能会彼此相差几千光年。但是，如果以天幕投影的方式对天鹅座进行模拟，这些恒星就会让人形成它们同在一个平面上的错觉。托勒密在观察这些恒星时发现，它们的排列碰巧具有某种特点，用线条连接之后构成的简单图案看上去就像一只“天鹅”。
我们根据星座的名称，把这个黑洞称为“天鹅座X–1”。这个简单明了的代号表明了黑洞所在的方位以及发现过程的类型与特点，这是因为天文学领域的命名必须遵循信息直接明了的原则。“天鹅座X–1”是一个双黑洞，也就是说，这颗死亡恒星并不孤单，有一颗活跃的蓝超巨星与它为伴。双黑洞释放出大量的高能X射线，这些X射线的能量足以穿透你体内柔软的组织，但不足以穿透你的骨骼。因此，借助从“天鹅座X–1”黑洞释放出来的光，你可以拍摄一张显示你全身骨骼结构的X线片。
天鹅座里的黑洞是在1964年被发现的，它可能是人类有史以来发现的第一个黑洞。但是，关于引力坍缩是否会引发如此彻底的灾难性后果这个问题，人们的争论一直持续到20世纪70年代。甚至到了20世纪90年代，仍然有少数人持有不同看法。在与这个黑洞相距不远的位置，一颗质量大约是太阳质量30倍的蓝超巨星正在沿轨道运行。这颗蓝超巨星的大气层被恒星风向黑洞吹去，黑洞正在慢慢地吞噬它的伴星，在这个过程中，从超巨星上脱离的物质吸收热量，温度可升高到数百万摄氏度。温度升高后，这些脱离物质就会发射出X射线，黑洞周围的区域会发出明亮的光。
事实上，这个双星系统距离太阳系大约6 000光年，它们的物理位置据称与天鹅星座中其他恒星的分布并无关联。每过5天，黑洞与蓝超巨星就会沿轨道运行一周。
某些过分谨慎的天文学家可能仍然会把“天鹅座X–1”中的致密星体称作“假定存在的黑洞”、“宣称存在的黑洞”或“猜测存在的黑洞”。就像我们无法观察到弯曲时空对物质的作用一样，我们也无法观察到黑洞。因此，我们只能推测，在从蓝超巨星上脱离的高温物质的中心有一个天体，这个天体的质量非常大（至少是太阳质量的15倍），体积却非常小（直径约为88千米），这样的天体只能是一个黑洞。诚然，如此谨慎的天文观察者为数不多，但是他们坚持认为我们从来没有发现黑洞。
休伊什与约瑟琳·贝尔·伯奈尔着手研究的类似恒星射电源（后来，人们发现它们明显是河外射电源，因此给它们改名为“类星体”）看上去又小又亮，就像天空中的星星，但却散布于银河系外。这些类星体并不在银河系内，事实上，它们与我们的距离大约为10亿光年甚至更远。这说明它们非常古老，因为它们的光传播到地球上需要几十亿年的时间。另外，这些类星体非常罕见，这说明宇宙“制造”类星体的速度没有以前那么快。
类星体的能量源自古老星系中心的黑洞，它们发出明亮的光，因此我们在距离它们非常远的地球上也可以观测到它们。质量是太阳质量的几百万或者几十亿倍的特大黑洞（包括假定存在、猜测存在和宣称存在的黑洞），可以将星系中的“浮木”，包括完整的恒星、气体与残骸、星系核中的“长期居民”和在庞大星系中四处游弋的“蜉蝣”，全部吞噬之后喷射出高速的火焰般的喷流，长达几百万光年。20世纪60年代，人类在地球上第一次观察到宇宙发出的这种信号。当时，人们根本不知道是何方神圣完成了这类壮举。
类星体是一种活跃的星系核，所有的能量都来自超大质量黑洞。这些活跃的星系核密度极大，相当于把10亿个太阳的质量集中在一个与太阳系大小相仿的区域中。在星系核周围，可能有数万个小型黑洞、其他死星及一些活跃恒星在沿轨道绕行。超大质量黑洞可能源于死亡恒星，也可能源于质量与恒星相仿的黑洞相互碰撞、合并形成的巨大星系核。
我们对宇宙的所有认识，包括宇宙的样子、宇宙中的居民、宇宙的历史、宇宙的形态结构等，几乎都来源于天文学家的观察与物理学家的实验。这些科学家依据的主要办法就是采集从宇宙起源后不久直至今天的所有天文现象发射的光（光几乎是他们关注的唯一事物，尽管有时候他们也会采集某些粒子）。科学家通过研究各种光的颜色、强度、方向和变化情况，分析其中隐含的信息，目的是绘制一幅宇宙详图。这幅地图涵盖在各个方向上与地球的距离超过450亿光年的天体，以及近140亿年以来的宇宙信息。在我们视线所及的茫茫宇宙中，我最希望探索的是无尽的黑暗、空无一物的真空地带，以及无边无际的时空。
黑洞的本质就在于它的黑暗，这是它名副其实的特征。在黑暗的天空中，黑洞就是一团漆黑；在明亮的天空中，黑洞就是一团暗影。望远镜从来没有捕捉到蒙在面纱之下的黑洞的真面目。由于我们对太阳系以外的认识几乎全部得益于光这个信使，而黑洞却躲在足以吞噬一切的黑暗之中，因此我们几乎不可能观察到它们，但并不是完全不可能。
我们可以观察到黑洞吞噬伴星的证据；我们可以观察到超大质量黑洞存在于星系中心的证据，因为沿轨道运行的恒星可以标记出它们的位置，尽管它们本身一团漆黑、难以观察；我们可以观察到长达几百万光年的黑洞喷流证据，因为即使在视线尽头的遥远星系上也可以看见这些喷流。但是，迄今为止，我们还没有亲眼看见黑洞。因此，如果真的能听到黑洞发出的声音，这样的前景的确令人激动不已。
宇宙中肯定存在我们永远也无法看到的黑洞。它们要么孑然一身，要么绕着另一个黑洞运转。任何天体，无论多么明亮，都无法与它们靠得太近。我们也无法描绘它们的轮廓，至少目前做不到。但是，如果黑洞碰撞，就会发生时空弯曲，形成波，并以光速传播，让我们有可能听到时空振荡的声音。如果引力波探测器取得成功，可以将时空振荡声与噪声区分开来，我们就可以记录：恒星在坍缩之前最后几秒钟发出的爆炸声，中子星旋转时表面隆起扭曲时空发出的声音，中子星碰撞的声音，中子星碰撞并形成黑洞的声音。此外，我们还可以记录黑洞碰撞从而形成质量更大的黑洞时发出的声音，在这个过程中，会有1045 瓦的能量以引力辐射的形式向外传递。
自视为“引力辐射信徒”，赫尔斯–泰勒脉冲星的发现深深地激起了约瑟琳·贝尔·伯奈尔的兴趣。1993年，拉塞尔·艾伦·赫尔斯与约瑟夫·胡顿·泰勒因为探测并证实引力波的存在而共同获得诺贝尔物理学奖，尽管他们是通过推理的方式间接完成了这项证明工作。赫尔斯与泰勒历时数年，对一个编号为PSR B1913+16系统的运行轨道进行了详细观察。（编号中的“PSR”代表脉冲星，数字表示天体在太空中的赤经和赤纬。）他们观察发现，在2.1万光年之外，有一颗死亡的致密恒星，即中子星，以每秒17次的频率向地球发射射频脉冲信号。这颗中子星就是一个巨大的磁体。它将射频脉冲信号变成细细的束流，在自旋的同时，像灯塔一样将这些射频信号发射出去。也就是说，这是一颗脉冲星。通过精细测算脉冲信号的频率变化，赫尔斯和泰勒推断这颗脉冲星正在绕另一颗不那么显眼的中子星运转，轨道周期为7.75个小时。接下来，他们通过观察发现脉冲星的轨道正在发生微弱的衰变，运转一周所需时间每年会减少76.5微秒。他们做出推断，轨道衰变肯定是由能量损失造成的。
能量损失是爱因斯坦相对论的预测结果之一。沿轨道运行的中子星拖拽着周围的弯曲时空一起运动，同时将能量传递到时空的涟漪中。简言之，损失的能量被引力波（也就是时空的“声音”）传递出去了。在这次幸运的观察活动中，理论与实验实现了完美的结合。
大约3亿年后，这个双星系统将会因为被引力波带走足够多的能量而发生碰撞。如果到那时人类仍然存在，并且还在利用地面天文台观察宇宙（我们有足够的理由认为，这样的设想非常荒谬，真的出现这一幕的可能性非常小），那么从理论上讲，这个双星系统在最后几个小时里发生的情况就会被某个类似于LIGO的天文台探测到。但在最后的时刻到来之前，这个双星系统产生的引力波都非常微弱，在地球上无法探测到。我们对成功地探测到赫尔斯–泰勒中子星不抱任何奢望，而是会努力搜寻正在发生碰撞的中子星和黑洞组合。在它们共同存在的最后几分钟时间里，碰撞发出的声音足够响亮，以至于我们可以在与其相隔数亿光年甚至更远距离的地球上，通过机器捕捉到这些声音。我们可以观察到银河系内的中子星，但是，如果相距数百万光年，这些中子星看上去必然会非常暗淡，不可能被观察到。与之相比，赫尔斯–泰勒中子星与我们的距离仅为2.1万光年，并且处在银河系内。在大多数致密星体发生碰撞之前，天文学家无法用望远镜拍摄它们的照片。所以，我们只能先捕捉它们发出的声音。
我们不能宣称，通过直接观察，我们发现赫尔斯–泰勒脉冲星产生的引力波携带了能量。我们只能说，通过直接推演，我们认为引力波肯定携带了能量，只有这样，脉冲星轨道正在逐渐衰变的预测结果才能得到完美的解释。这个推演结果很有可能是正确的，可信度非常高！
[1] 1英尺≈0.3米。——编者注