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宇宙舍利子赛先生天文

  我们理解的宇宙从最左侧的大爆炸开始,历经138亿年才形成如今的模样,猜猜中子星集中在哪个阶段呢?图源:ESO
  导读
  你我作为唯一种类的智慧生命,在广袤的宇宙中具有一项极其重要的特殊本领——我们能够理解宇宙。"我们能够理解宇宙"这件事本身,也被爱因斯坦称为"最不能理解的事情"。近几百年来,我们不仅征服了圆滚滚的地球,认识了扁平平的太阳系,更是破天荒地把目光延伸到了超级远的远方。我们现在知道,整个宇宙由数万亿个星系组成;而在每个星系中,又常常有数千亿颗恒星。天文学家常常把恒星作为宇宙的基本组元来加以研究。
  恒星,从分子云的塌缩,到超新星的爆发,也跟人类一样有着逸趣横生的"一辈子"。其中有一大类恒星,就跟佛教中的高僧一般,会在涅槃之后留下一颗璀璨的"舍利子"——中子星(舍利子,相传为释迦牟尼佛遗体火化后结成的珠状物) 。那么,我们今天就来认识一下"宇宙舍利子"中子星吧!
  撰文 | 邵立晶(北京大学科维理所)
  责编 | 韩越扬、吕浩然
  01微观世界:何处惹尘埃?
  中子星这个"舍利子",是颗令科研人员着迷的明珠。个中原因,有很大一部分来源于中子星与微观世界基本规律的紧密联结。我们先从微观世界说起:
  对物质结构基本图像的认识,是物理学领域最令人骄傲的知识瑰宝。理查德·费曼(Richard Feynman,1918-1988) 曾经说过:"假如在一次浩劫中所有的科学知识都被摧毁,只剩下一句话留给后代,什么语句可用最少的词包含最多的信息?我相信,这是原子假说,即:万物由原子(微小粒子) 组成,它们永恒地运动着,并在一定距离以外互相吸引,而被挤压在一起时则相互排斥。"(《费曼物理学讲义(第1卷)》) 诚然,上个世纪物理学成为诸多学科的领头羊,与其对微观物质世界的深入探索是分不开的。
  物理学家认识到,我们这个世界的组元,比化学家伊万诺维奇·门捷列夫(Менделе ев,1834-1907) 的元素周期表还要来得简单许多!物质世界以及其中的相互作用,可以用粒子物理的标准模型来表述,其中仅含有6类夸克、6类轻子、4类规范粒子(即传播相互作用的粒子) 、1个希格斯粒子。就凭这些简单的"砖块",一层层地构建出了我们纷繁复杂的世界,可比艺术家的调色板神奇多了。比如:u、u、d三个夸克,组成了质子;u、d、d三个夸克,组成了中子;质子、中子、电子(轻子的一种) 又组成了丰富多彩的原子世界、分子世界;她们又持之以恒地搭建起了高山、流水、沙漠、绿洲、螃蟹、土拨鼠与人,乃至恒星、星系等。多么迷人又令人惊叹的,繁简交错的大自然智慧啊!
  物理学家的"元素周期表":粒子物理的标准模型,图源:symmetrymagazine
  02微观与宏观的边界:中子"成星"
  罗马城不是一日建成的,当然,粒子物理的标准模型的建成也有着艰难曲折的发展历程。1897年,约瑟夫·汤姆孙(Joseph John Thomson,1856-1940) 在阴极射线中发现了电子;1911年,欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937) 拿完诺奖不躺平,接着攻物理,用氦核轰击金箔,建立了原子核模型;1917年,卢瑟福的团队又发现了质子。
  汤姆孙(左)、卢瑟福(中)与查德威克(右),图源:NobelPrize.org
  有了质子 (带正电) 、电子(带负电) ,还有当时已知的一种中性的粒子——光子,那个时代的很多物理学家错误地认为世界就是由它们构成的。直到1932年,詹姆斯·查德威克(James Chadwick,1891-1974 )利用云室实验发现了一种质量与质子相当的电中性粒子——中子。从那以后,正确的物质结构观逐渐建立了起来:质子、中子构成原子核,原子核、电子构成原子。值得一提的是,汤姆孙、卢瑟福、查德威克都是英国人或新西兰人,基础科学与(当时的) 世界强国的必然联系可谓是呼之欲出。
  原子与原子核结构,图源:Britannica.com
  有趣的是,前苏联有位20岁出头的年轻人,列夫·达维多维奇·朗道 (Lev Davidovich Landau,1908-1968) ,在1932年1月投稿的文章《论恒星的理论》中提出了一个所谓的"违背量子力学定律的病态区域"的概念,企图用来同时解决恒星的塌缩和恒星的能源机制(中译文参见徐仁新教授著作《天体物理导论》) 。当然,我们后来知道,朗道的提法具有一定的时代局限性。其中恒星能源的问题在1938年由汉斯·贝特(Hans Bethe,1906-2005) 用氢核聚变的思路解决了,这里按下不表。朗道在论文中提出的"电子和质子紧密结合"的描述,就是后来大家所发现的电子、质子通过"弱相互作用"转化成中子的图像。
  需要注意的是,查德威克也是在1932年才发现中子的!朗道提出,一个恒星有可能转化成一个"巨大的原子核",也就是我们现在所说的中子星,一类主要由中子构成的寒冷而致密的天体。他的模型虽然不完全正确,却具有令人惊叹的先知先觉。难怪朗道拿诺奖的时候,有人评价说:"一个人拿诺奖是这个人的光荣,而朗道拿诺奖是诺奖的光荣。"
  寒冷而致密的"宇宙舍利子"——中子星渲染图,图源:University of Montreal
  其后,包括沃尔特·巴德(Walter Baade ,1893-1960,"超新星"和"中子星"名词的提出者) 、弗里茨·兹威基(Fritz Zwicky,1898-1974,暗物质的提出者) 、罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer,1904-1967,核武器研究的先驱) 等人逐步完善了中子星的模型,并预言了其天体物理起源机制。中子星的质量大约在1到2个太阳质量,但半径却非常非常小,是个极端致密的天体,具有比核物质还高的密度;噢,她几乎就是黑洞了!在如此大的密度下,中子星自身的引力非常之强,企图将其塌缩成黑洞。
  但令人咋舌的是,对于这样一个宏大的系统,微观粒子世界的量子原理起到了有效地抵抗引力的作用。具体来说,由于中子之间存在"一山容不得二虎" 的互斥(由泡利不相容原理描述) ,最终这种"斥力"与引力相生相灭、取得平衡,形成了稳定的星体——中子星。
  03灯塔:一闪一闪亮晶晶
  虽然中子星的质量比太阳大,但由于密度极大,导致其个头并不大,是货真价实的宇宙舍利子。中子星一般来说,半径只有10公里左右,星体表面也就北京市海淀区那么大。彼时,虽然诸多学术界大佬从纯理论的角度对其兴趣盎然,却很难激起观测天文学家的热情。因为从他们的角度,把中子星放在天文学距离后,是几乎不可能被测到的。
  打破这一困境的是个美丽的意外!英国剑桥大学的一名年轻研究生——乔瑟琳·贝尔·伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell,1943- ) ,她在分析射电干扰数据的时候,意外地得到了一些神秘的周期性信号。这些信号是如此令人难料,当时甚至被赋上了"小绿人"的代号。后来详实的研究表明,她们就来自于中子星。从观测的角度出发,天文学家又称之为"脉冲星"。贝尔的导师安东尼·休伊什(Antony Hewish,1924-2021) 也因此获得了1974年的诺贝尔物理学奖,遗憾的是,贝尔本人却与诺贝尔奖失之交臂。
  1967年,贝尔(右)在穆拉德射电天文台绘制的脉冲星信号图,图源:Cavendish Laboratory
  脉冲星的脉冲信号的起因在于,这些宇宙舍利子从超新星爆发形成后,处于一种高速旋转的状态。星体表面的亮斑,以她的旋转为周期,一次次地射向地球,其发出的光束每一次扫过地球,都被地球的大型射电望远镜所捕获,是名副其实的"一闪一闪亮晶晶"。
  04是谁拨动了时空的琴弦?
  很快,脉冲星研究成了天体物理学界最热门的课题之一。俗话说,好事成双。1974年,拉塞尔·赫尔斯(Russell A. Hulse,1950- ) 和他的导师约瑟夫·泰勒(Joseph H. Taylor Jr.,1941- ) 发现了第一颗脉冲双星。这个系统由两颗中子星构成,其中一颗可以被地球上的射电望远镜观测到。经过对其的长期监测,特别是使用美国建造的300米口径阿雷西博望远镜的精密测量,结合"脉冲星测时"技术,人们对该脉冲双星的轨道运动有了充分的把握。
  物理学告诉我们,在牛顿的引力下,两颗星的运动轨道是个完美的椭圆。一对双星就像一对恋人一样,互相绕转、亘古不变。而在爱因斯坦的广义相对论里,情况就会变得复杂且有趣得多。双星绕转,拨动时空的琴弦,以引力波的方式传向宇宙各处。引力波带走能量,根据能量守恒,双星的轨道会逐渐地变小。而这种非常微小的变化,首次被人类捕捉就是在脉冲双星系统中。观测得到的轨道变化与爱因斯坦的广义相对论的预言是惊人得一致!赫尔斯和泰勒也因为这方面的工作,共享了1993年的诺贝尔物理学奖。
  脉冲双星的射电辐射与引力波时空渲染图,图源:M. Kramer
  05中子星?亦或夸克星?
  前面提过,中子星的提出与中子的发现几乎是同时的,这也正是这样一类星体被称为"中子星"的时代背景。随着粒子物理的发展,人们逐渐认识到,中子并不是基本的粒子,她由三个夸克所组成。那么,自然而然的想法就是:中子星是否可以由夸克直接构成,也就是其本质上是"夸克星"?这是个非常有意思的假说,其理论本质涉及到粒子物理中基本相互作用的表现形式,对物理学与天文学都有着十分重大的意义。
  物理学是门实验科学,所有的假说都要与实验观测相一致。最近几年在射电天文学、引力波天文学、X射线天文学的蓬勃发展下,中子星与夸克星之争显得越来越迫切,具有时代的特征意义,有望在近些年内迸发出长足的认识,为中子星/夸克星正名。
  06再会引力波:三千人的狂欢派对
  2017年8月17日,与中子星相关的研究再次吸引了全世界的目光。那个时候,笔者是引力波探测的LIGO合作组成员。8月中下旬,我在瑞士的日内瓦开学术会议。刚在日内瓦落脚后,我就发现邮箱爆炸了。LIGO合作组内的邮件几乎是每隔几秒来一封,大家在纷纷讨论所谓的"八月·引力波·雨"——那年八月,LIGO/Virgo连续测到了好多例引力波事件。
  其中最引人注目的是一例双中子星并合事件,这是人类探测到的首例双中子星并合。更妙的是,与之前测到的双黑洞不同,由于中子星是由中子(或夸克) 物质所组成,所以在并合后有相应的电磁辐射产生。非常幸运的是,这个事例离地球又(相对) 非常之近,多家电磁观测合作组的望远镜和卫星都记录下了对应的电磁信号。
  双中子星并合事例的探测,开启了"多信使"观测的天文学新时代。LIGO/Virgo同几十家电磁观测合作组一起,发表了一篇由3677名作者联合署名的文章,宣布了多信使时代的到来。这篇文章是天文学领域迄今为止作者数目最多的文章,详实地记录下了这次历史性的观测盛会。
  07大国利器与国际合作
  人类之所以能够"理解宇宙",与热情澎湃、孜孜不倦的探索精神是分不开的。而对基本物理科学前沿知识的探索,不管在人力和物力上都需要极大的投入。一个世界强国,应该是基础科学探索道路上责无旁贷的先锋与战士。
  中国天眼(上,图源:Liu Xu)和平方公里阵(下,图源:Lynette Cook)
  在对"宇宙舍利子"中子星的更深入的探索上,我国已经、并且将持续地发挥重要的作用。我们都非常自豪地看到了这些年"中国天眼"FAST望远镜在脉冲星领域逐渐成为世界的领头羊。同时,我国也积极参与国际合作项目的开展,在脉冲星领域最有代表性的当属"平方公里阵"SKA了。而这些基础科学领域的投入,必将开启中子星研究的全新时代,为人类创造新的知识瑰宝。
  从发现到认识,"宇宙舍利子"伴随着我们人类理解宇宙、探索未知的脚步不断地揭开面纱,在未来终将展露全貌!
  作者简介:
  邵立晶,北京大学科维理天文与天体物理研究所的研究员,博士生导师,博雅青年学者。2015年在北京大学获得理论物理博士学位,其后在阿尔伯特·爱因斯坦研究所和马克斯·普朗克射电天文研究所从事博士后研究,2018年9月入职北京大学科维理所。研究方向为脉冲星、引力波、超出标准模型的新物理等。
  制版编辑  |  -小圭月-

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