The Climb
天文學家約瑟琳·貝爾·伯奈爾對羅納德·德雷弗的評價是：「他富有創造性，而且以此為榮。」為了學習物理學知識，約瑟琳從北愛爾蘭來到格拉斯哥大學，羅納德成為她的研究生導師。他經常把自己大腦裡的有趣想法，分享給他指導的幾名學生，其中就包括催生休斯–德雷弗實驗的那些想法（不過，她當時並沒有意識到，羅納德是在他鄉村的家裡完成這個實驗的）。但是，這些對學生們的考試成績沒有任何幫助。剛開始的時候，因為羅納德不願意在學生們完成固態物理學作業時提供任何幫助，約瑟琳對他十分不滿。但是後來，羅納德在基礎物理學上的深邃見解以及他的實驗天賦都讓她折服。研究生期間得到羅納德指導的約瑟琳畢業後取得了一些重要發現，並且反過來對羅納德產生了影響。羅納德給約瑟琳的評價是：「顯然，她在學生當中出類拔萃……因此，我對她非常瞭解。」20世紀60年代中期，約瑟琳前往英格蘭的喬德雷爾–班克天文台求職時，羅納德還幫助她給這個在射電天文學領域裡佔據重要地位的機構寫了一封推薦信。但是，羅納德說：「喬德雷爾–班克天文台不願意接受約瑟琳，因為她是女性。當然，他們的正式理由不是這個。約瑟琳非常失望。」為了凸顯其荒謬之處，他又補充了一句：「約瑟琳的第二選擇是去劍橋大學。你明白了吧？」羅納德認為，這是一個純屬偶然而又非常不錯的轉折點。他笑著說道：「於是，她去了劍橋大學，並且發現了脈衝星。你明白了吧？」
在職業生涯後期，約瑟琳·貝爾·伯奈爾轉而研究X射線天文學，並參加了研製「羚羊」5號X射線天文衛星的英美合作小組。1974年10月10日的清晨，「羚羊」號衛星成功發射，當天中午，脈衝星發現者被授予諾貝爾物理學獎的消息傳到了約瑟琳的耳朵裡。對她來說，這則消息有兩個特別的意義。第一，諾貝爾委員會終於承認天體物理學是有資格獲得諾貝爾獎的物理學分支。20世紀20年代，埃德溫·哈勃發起過一場運動，試圖改變天體物理學的學術地位，但是沒有成功。第二，她的名字沒有出現在獲獎名單上，這個獎項被頒給了安東尼·休伊什和馬丁·賴爾。
約瑟琳那時24歲，是劍橋大學的研究生，與她的導師安東尼·休伊什一起，致力於類星體的探索工作。所謂類星體，就是在地球上看像星星那麼小的明亮的射電源。在她奔波在野外安裝射電望遠鏡的那個年代，類星體仍然被人們稱作類似恆星射電源，而且這些射電源在人們眼中還是十分神秘的存在。射電望遠鏡在發現類星體方面效果不錯，但在辨識這些類星體的體積時卻作用不大。此外，射電望遠鏡還顯著地改變了天體物理學的發展進程。在記錄紙上記錄的內容，除了被探測到的類星體外，還有大量的錯誤和異常現象。他們使用的記錄紙非常多，因此他們以英尺[1] 為單位，來表示記錄紙的數量。約瑟琳一絲不苟地檢查了幾百（或者幾千）英尺長的記錄紙。大多數的異常現象都是人造光源或者某種形式的探測器干擾造成的。但是，有一個奇怪的信號不斷出現。約瑟琳最後認為，這些信號肯定來源於某種星體，而且她逐漸意識到她的這個發現具有非常重要的意義。就像媒體經常報道的那樣，由於這個信號不斷出現，圈子裡的人給它的來源取了一個「LGM」的綽號，意指「小綠人」（little green men）發來的信號。進一步的研究表明，與這些智慧的「小綠人」文明所製造的「產品」相比，還有一些「時鐘」走時更加精準，這就是後來發現的脈衝星。
脈衝星是高度磁化、高速旋轉的中子星。脈衝星的磁場強度超強，通常是地球磁場強度的數百萬至數萬億倍，在極個別情況下可達到數千萬億倍。所有中子星的質量都不到太陽的兩倍，直徑不足30千米。中子星的旋轉速度很快，每秒可以轉一圈至幾百圈。粒子經過磁場加速後，速度可以接近光速，發出強如燈塔光束的光。在這種由緻密物質構成的近似完美的球體高速旋轉時，這些光束也向周圍發射。眾所周知，一茶匙的中子星物質與地球上的一座山的質量大致相仿。中子星上的引力非常強，人在那裡會被液化，融入星體裡的緻密物質。因為引力作用非常強，中子星表面不會出現不規整的現象。一旦有山脈隆起，就會被引力拉平。在一顆典型的中子星表面，不規整的程度非常小，10厘米的隆起就可被視為山峰。不過，具體情況取決於中子星的外殼。目前，人們對中子星的外殼還不是非常瞭解。中子星的旋轉有很強的規律性，因此會在數據流中產生固定週期的信號。當中子星的光束以一定的時間間隔從地球表面掠過時，可以產生極其精準的計時效果，在某些情況下，它的精準程度甚至超過最精確的原子鐘。當然，當約瑟琳·貝爾·伯奈爾於1967年發現第一顆脈衝星的時候，她可以做出兩個確定的推斷：第一，這一系列的脈衝信號呈現出很強的規律性，脈衝率約為每秒一次；第二，它們來自宇宙深處。
約瑟琳回憶說，當數據中第二次出現這樣的信號時，「她感到異常興奮」。因為她知道，這種奇怪現象正在逐漸表現出重大發現的一些特徵，「一旦發現一個有規律的信號，就會接二連三地發現更多有規律的信號」。就這樣，她發現了人類有史以來發現的第一到第四個脈衝星。
一年之後，人們在蟹狀星雲的中心位置發現了一顆脈衝星。蟹狀星雲是超新星爆炸後拋射出的明亮殘骸。1054年，地球上的人第一次觀測到蟹狀星雲，並在歷史文獻中記錄下這個天文現象。這顆脈衝星的發現表明，中子星是恆星發生引力坍縮形成的。現在，人們推斷銀河系裡有上億顆中子星，其中有幾十萬顆是脈衝星。
成為諾貝爾物理學獎的得主，休伊什可謂實至名歸，因為正是在他這位導師的安排下，他的學生才會完成這項任務的，儘管休伊什當初的安排是讓約瑟琳尋找類星體。不過，讓人們更難理解的是，獲獎名單中為什麼沒有約瑟琳·貝爾·伯奈爾的名字？我問約瑟琳，她是否認為休伊什應該做點兒什麼，她的回答中沒有任何怨言：「如果獲獎的人是你，你也不需要解釋你為什麼能夠獲得這個獎項。」她接著補充道，這對她來說未必是壞事，她後來因此獲得了幾乎所有的獎勵、勳章、榮譽和嘉獎。她的意思似乎是說，她得到了相當多的補償。蘇珊·約瑟琳·貝爾·伯奈爾女爵獲得的榮譽和獎勵有：英國爵級司令勳章、皇家天文學會主席、蘇格蘭愛丁堡皇家天文台高級研究員、英國皇家學會會員，以及多個重要勳章和幾十個榮譽博士頭銜等。
在這場理論界的辯論中，脈衝星旗幟鮮明地表明了它們的立場。人們已經在銀河系中與我們相距幾百光年的位置，發現了像燈塔一樣發出耀眼光芒的中子星。50年來，人們一直在思考引力坍縮的終極狀態，惠勒當年也認為這是一個極其重要的問題。如今，這個問題把天文學家們帶到了這個重要抉擇的面前。脈衝星是可以證明中子星真實存在的第一個證據。如果中子星是恆星引力坍縮的產物，那麼黑洞有可能同樣如此。愛因斯坦認為黑洞（「黑洞」這個名稱當時還沒有出現）這個答案具有一定的數學價值，但是在適用性上還有諸多限制，因為恆星物質對這種災難性坍縮具有抵製作用。不過，核武器的設計者們卻得出了一種與愛因斯坦不同的結論。如果在死亡的過程中，恆星留下的殘骸質量足夠大，那麼這些殘骸必然無法擺脫坍縮的命運。在變成中子星後，還會發生爆炸，然後繼續坍縮，直至變成黑洞。但是，理論上的對峙往往無法通過直接觀察等方式予以徹底解決。約瑟琳·貝爾·伯奈爾發現了中子星存在的證據，這個發現本身就具有令人著迷的魅力。此外，它還會讓人們產生新的憧憬，即證明黑洞存在的憧憬。（據說，一位德高望重的同行在1970年國際天文學聯合大會期間找到約瑟琳，並大聲對她說：「貝爾小姐，你完成了20世紀最偉大的天文發現！」）
儘管脈衝星的發現使黑洞的存在顯得更加可信，但在得到廣泛認同之前，人們可能還需要用幾十年的時間，通過觀察耐心地收集數據。在天鵝座中，就存在一個天體物理學意義上的黑洞。與其他所有星座一樣，天鵝座中恆星的位置也具有隨意性，位於星座邊緣位置上的不同恆星與地球之間的距離可能會彼此相差幾千光年。但是，如果以天幕投影的方式對天鵝座進行模擬，這些恆星就會讓人形成它們同在一個平面上的錯覺。托勒密在觀察這些恆星時發現，它們的排列碰巧具有某種特點，用線條連接之後構成的簡單圖案看上去就像一隻「天鵝」。
我們根據星座的名稱，把這個黑洞稱為「天鵝座X–1」。這個簡單明瞭的代號表明了黑洞所在的方位以及發現過程的類型與特點，這是因為天文學領域的命名必須遵循信息直接明瞭的原則。「天鵝座X–1」是一個雙黑洞，也就是說，這顆死亡恆星並不孤單，有一顆活躍的藍超巨星與它為伴。雙黑洞釋放出大量的高能X射線，這些X射線的能量足以穿透你體內柔軟的組織，但不足以穿透你的骨骼。因此，借助從「天鵝座X–1」黑洞釋放出來的光，你可以拍攝一張顯示你全身骨骼結構的X線片。
天鵝座裡的黑洞是在1964年被發現的，它可能是人類有史以來發現的第一個黑洞。但是，關於引力坍縮是否會引發如此徹底的災難性後果這個問題，人們的爭論一直持續到20世紀70年代。甚至到了20世紀90年代，仍然有少數人持有不同看法。在與這個黑洞相距不遠的位置，一顆質量大約是太陽質量30倍的藍超巨星正在沿軌道運行。這顆藍超巨星的大氣層被恆星風向黑洞吹去，黑洞正在慢慢地吞噬它的伴星，在這個過程中，從超巨星上脫離的物質吸收熱量，溫度可升高到數百萬攝氏度。溫度升高後，這些脫離物質就會發射出X射線，黑洞周圍的區域會發出明亮的光。
事實上，這個雙星系統距離太陽系大約6 000光年，它們的物理位置據稱與天鵝星座中其他恆星的分佈並無關聯。每過5天，黑洞與藍超巨星就會沿軌道運行一周。
某些過分謹慎的天文學家可能仍然會把「天鵝座X–1」中的緻密星體稱作「假定存在的黑洞」、「宣稱存在的黑洞」或「猜測存在的黑洞」。就像我們無法觀察到彎曲時空對物質的作用一樣，我們也無法觀察到黑洞。因此，我們只能推測，在從藍超巨星上脫離的高溫物質的中心有一個天體，這個天體的質量非常大（至少是太陽質量的15倍），體積卻非常小（直徑約為88千米），這樣的天體只能是一個黑洞。誠然，如此謹慎的天文觀察者為數不多，但是他們堅持認為我們從來沒有發現黑洞。
休伊什與約瑟琳·貝爾·伯奈爾著手研究的類似恆星射電源（後來，人們發現它們明顯是河外射電源，因此給它們改名為「類星體」）看上去又小又亮，就像天空中的星星，但卻散佈於銀河系外。這些類星體並不在銀河系內，事實上，它們與我們的距離大約為10億光年甚至更遠。這說明它們非常古老，因為它們的光傳播到地球上需要幾十億年的時間。另外，這些類星體非常罕見，這說明宇宙「製造」類星體的速度沒有以前那麼快。
類星體的能量源自古老星系中心的黑洞，它們發出明亮的光，因此我們在距離它們非常遠的地球上也可以觀測到它們。質量是太陽質量的幾百萬或者幾十億倍的特大黑洞（包括假定存在、猜測存在和宣稱存在的黑洞），可以將星系中的「浮木」，包括完整的恆星、氣體與殘骸、星系核中的「長期居民」和在龐大星系中四處游弋的「蜉蝣」，全部吞噬之後噴射出高速的火焰般的噴流，長達幾百萬光年。20世紀60年代，人類在地球上第一次觀察到宇宙發出的這種信號。當時，人們根本不知道是何方神聖完成了這類壯舉。
類星體是一種活躍的星系核，所有的能量都來自超大質量黑洞。這些活躍的星系核密度極大，相當於把10億個太陽的質量集中在一個與太陽系大小相仿的區域中。在星系核周圍，可能有數萬個小型黑洞、其他死星及一些活躍恆星在沿軌道繞行。超大質量黑洞可能源於死亡恆星，也可能源於質量與恆星相仿的黑洞相互碰撞、合併形成的巨大星系核。
我們對宇宙的所有認識，包括宇宙的樣子、宇宙中的居民、宇宙的歷史、宇宙的形態結構等，幾乎都來源於天文學家的觀察與物理學家的實驗。這些科學家依據的主要辦法就是採集從宇宙起源後不久直至今天的所有天文現象發射的光（光幾乎是他們關注的唯一事物，儘管有時候他們也會採集某些粒子）。科學家通過研究各種光的顏色、強度、方向和變化情況，分析其中隱含的信息，目的是繪製一幅宇宙詳圖。這幅地圖涵蓋在各個方向上與地球的距離超過450億光年的天體，以及近140億年以來的宇宙信息。在我們視線所及的茫茫宇宙中，我最希望探索的是無盡的黑暗、空無一物的真空地帶，以及無邊無際的時空。
黑洞的本質就在於它的黑暗，這是它名副其實的特徵。在黑暗的天空中，黑洞就是一團漆黑；在明亮的天空中，黑洞就是一團暗影。望遠鏡從來沒有捕捉到蒙在面紗之下的黑洞的真面目。由於我們對太陽系以外的認識幾乎全部得益於光這個信使，而黑洞卻躲在足以吞噬一切的黑暗之中，因此我們幾乎不可能觀察到它們，但並不是完全不可能。
我們可以觀察到黑洞吞噬伴星的證據；我們可以觀察到超大質量黑洞存在於星系中心的證據，因為沿軌道運行的恆星可以標記出它們的位置，儘管它們本身一團漆黑、難以觀察；我們可以觀察到長達幾百萬光年的黑洞噴流證據，因為即使在視線盡頭的遙遠星系上也可以看見這些噴流。但是，迄今為止，我們還沒有親眼看見黑洞。因此，如果真的能聽到黑洞發出的聲音，這樣的前景的確令人激動不已。
宇宙中肯定存在我們永遠也無法看到的黑洞。它們要麼孑然一身，要麼繞著另一個黑洞運轉。任何天體，無論多麼明亮，都無法與它們靠得太近。我們也無法描繪它們的輪廓，至少目前做不到。但是，如果黑洞碰撞，就會發生時空彎曲，形成波，並以光速傳播，讓我們有可能聽到時空振蕩的聲音。如果引力波探測器取得成功，可以將時空振蕩聲與噪聲區分開來，我們就可以記錄：恆星在坍縮之前最後幾秒鐘發出的爆炸聲，中子星旋轉時表面隆起扭曲時空發出的聲音，中子星碰撞的聲音，中子星碰撞並形成黑洞的聲音。此外，我們還可以記錄黑洞碰撞從而形成質量更大的黑洞時發出的聲音，在這個過程中，會有1045 瓦的能量以引力輻射的形式向外傳遞。
自視為「引力輻射信徒」，赫爾斯–泰勒脈衝星的發現深深地激起了約瑟琳·貝爾·伯奈爾的興趣。1993年，拉塞爾·艾倫·赫爾斯與約瑟夫·胡頓·泰勒因為探測並證實引力波的存在而共同獲得諾貝爾物理學獎，儘管他們是通過推理的方式間接完成了這項證明工作。赫爾斯與泰勒歷時數年，對一個編號為PSR B1913+16系統的運行軌道進行了詳細觀察。（編號中的「PSR」代表脈衝星，數字表示天體在太空中的赤經和赤緯。）他們觀察發現，在2.1萬光年之外，有一顆死亡的緻密恆星，即中子星，以每秒17次的頻率向地球發射射頻脈衝信號。這顆中子星就是一個巨大的磁體。它將射頻脈衝信號變成細細的束流，在自旋的同時，像燈塔一樣將這些射頻信號發射出去。也就是說，這是一顆脈衝星。通過精細測算脈衝信號的頻率變化，赫爾斯和泰勒推斷這顆脈衝星正在繞另一顆不那麼顯眼的中子星運轉，軌道週期為7.75個小時。接下來，他們通過觀察發現脈衝星的軌道正在發生微弱的衰變，運轉一周所需時間每年會減少76.5微秒。他們做出推斷，軌道衰變肯定是由能量損失造成的。
能量損失是愛因斯坦相對論的預測結果之一。沿軌道運行的中子星拖拽著周圍的彎曲時空一起運動，同時將能量傳遞到時空的漣漪中。簡言之，損失的能量被引力波（也就是時空的「聲音」）傳遞出去了。在這次幸運的觀察活動中，理論與實驗實現了完美的結合。
大約3億年後，這個雙星系統將會因為被引力波帶走足夠多的能量而發生碰撞。如果到那時人類仍然存在，並且還在利用地面天文台觀察宇宙（我們有足夠的理由認為，這樣的設想非常荒謬，真的出現這一幕的可能性非常小），那麼從理論上講，這個雙星系統在最後幾個小時裡發生的情況就會被某個類似於LIGO的天文台探測到。但在最後的時刻到來之前，這個雙星系統產生的引力波都非常微弱，在地球上無法探測到。我們對成功地探測到赫爾斯–泰勒中子星不抱任何奢望，而是會努力搜尋正在發生碰撞的中子星和黑洞組合。在它們共同存在的最後幾分鐘時間裡，碰撞發出的聲音足夠響亮，以至於我們可以在與其相隔數億光年甚至更遠距離的地球上，通過機器捕捉到這些聲音。我們可以觀察到銀河系內的中子星，但是，如果相距數百萬光年，這些中子星看上去必然會非常暗淡，不可能被觀察到。與之相比，赫爾斯–泰勒中子星與我們的距離僅為2.1萬光年，並且處在銀河系內。在大多數緻密星體發生碰撞之前，天文學家無法用望遠鏡拍攝它們的照片。所以，我們只能先捕捉它們發出的聲音。
我們不能宣稱，通過直接觀察，我們發現赫爾斯–泰勒脈衝星產生的引力波攜帶了能量。我們只能說，通過直接推演，我們認為引力波肯定攜帶了能量，只有這樣，脈衝星軌道正在逐漸衰變的預測結果才能得到完美的解釋。這個推演結果很有可能是正確的，可信度非常高！
[1] 1英尺≒0.3米。——編者注