深度解读奇异星的来龙去脉赛先生天文

　　导读：
　　人类认识物质组成的基本单元是一个循序渐进的过程。如今我们知道质子、中子等核子是组成原子核的基本单元，与核外电子一起构建起了我们身处的物质世界。但宇宙中却可能存在一些＂奇异 ＂的致密星体，它们的基本组成单元跟质子、中子不太一样。
　　那么，为什么天上有些星星可能是＂奇异＂的？它们能通过观测来确认吗？本期赛先生天文为你深度解读＂奇异星＂的来龙去脉。
　　撰文 | 徐仁新（北京大学）
　　责编 | 韩越扬、吕浩然
　　若言＂青树翠蔓，蒙络摇缀，参差披拂＂这些幽美的景物，甚至包括记小石潭者柳宗元，都只不过是由若干原子堆积起来的不同形式，你一定会顿失诗情画意。不过，这确实言简意赅地表述了一个物理事实：构成日常生活中物质的基本单元都是原子或分子。当然，地球之外的宏观物体也类似。虽说物质中相当一部分原子电离后的状态被列为固、液、气之外的＂第四态＂（图1） ，但成分上并无本质差异。
　　图1：各类物质状态，图片来源：Pixabay
　　那么，是否存在与原子、分子这些基本单元根本不一样的物质呢？这里将介绍一种＂奇异物质＂，以及由它组成的星体——＂奇异星＂。当然，奇异星的观测认证 有待进一步努力。
　　从原子到核子：回顾恒星能源的探索历程
　　宇观的天文学与微观的亚原子物理学这两个学科之间的互动可谓源远流长。顺应这一发展趋势的＂粒子天体物理学＂，如今也越来越受到重视。
　　1897年，汤姆逊（Joseph John Thomson） 发现电子，第一次告诉我们：古老哲学思辨中不可分割的单元＂原子＂其实是由正负电荷组成的，而其中前者几乎占所有质量。1908年左右，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford） 证明α放射性本质上是二次电离的氦离子，并建议盖革（Geiger） 和马斯登（Sir Ernest Marsden） 用α粒子轰击薄的金箔。基于α 粒子大角度散射的实验现象，卢瑟福于1911年提出了经典的原子＂核式结构模型＂：原子由体积小带正电荷的核以及核外电子所构成。这是人类文明史上了不起的进步！
　　该发现对天文学家的触动也是很深的。19世纪40年代初发现的能量守恒原理，引出了一个严肃的话题[1] ：太阳如何发光？推而广之，璀璨星空中点点繁星的能量来源是什么？迈尔（Julius Robert Mayer） 几乎在思考能量守恒律的同时尝试给出了第一个答案——俘获陨星释放化学能。不过，人们很快意识到，这不足以解释太阳巨大的能量释放。
　　1854年赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz） 提出（随后被第一代开尔文男爵威廉·汤姆森，即William Thomson发展） 所谓的Helmholtz-Kelvin理论：太阳缓慢收缩释放的引力能转变成光和热。尽管该理论流行半个多世纪，但存在两个致命的弱点：
　　1，为定量解释光能，太阳得每年收缩约35米，但如何设计并实现观测检验？
　　2，理论推测太阳仅存在约两千万年，远短于地质学家和古生物学家估计的地球年龄。
　　1903年，Jones认为太阳中的氦可能是其内部的镭衰变产生的（亨利·贝可勒尔，Henri Becquerel于1896年发现放射性） ，放射能提供发光，但该设想仍停留在定性层面，且亦缺乏观测检验。受卢瑟福原子有核模型的影响，亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington） 于1920年在英国科学促进会（British Association） 年会上提出一个新看法[2] ：恒星内部氢原子核结合成更复杂元素时会释放足够的能量（不过他错误地认为氦核由四个质子和两个电子组成） 。直到1939年，汉斯·贝特(Hans Bethe） 发表的氢核聚变论文算是最终澄清了恒星的能源问题[3] 。
　　如此，算是解决恒星内部能源的一切问题了吗？这还没完！
　　有别于普通恒星的另类——＂白矮星＂也让天文学家迷惑不解。1926年，拉尔夫·霍华德·福勒爵士（Sir Ralph Howard Fowler） 提出电子量子简并压抵抗白矮星自引力，而爱丁顿那年出版的与文献[2] 同名的专著却深刻地影响了一位年轻人——苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar） 。考虑相对论能动量关系（而不是福勒采用的非相对论形式） ，20岁的钱德拉塞卡发现在高密度时物态趋软，进而得出结论：当白矮星的质量过大、自引力过强时，是不能稳定存在的[4] 。后人称白矮星极限质量为＂钱德拉塞卡极限＂（约1.4倍太阳质量） 。
　　超过这一极限会咋样？比钱德拉塞卡年长两岁多的列夫·达维多维奇·朗道（Lev Davidovich Landau） 于1929至1931访问欧洲期间思考过这个问题，并给出这样一个推测：引力塌缩可将原子核挤成一片，形成一个＂巨原子核＂[5] 。这里笔者要强调两点：
　　1，恒星能源是朗道专研的动机之一，但他错误地认为致密核心的形成及引力能提供足够能量[6] ；
　　2，朗道的＂巨原子核＂是＂中子星＂的原型，却是在发现中子之前提出的[7] 。1932年2月，詹姆斯·查德威克（James Chadwick） 在Nature论文中给出了中子存在的证据，之后人们很快澄清了原子核的基本组成单元：质子和中子（而非此前认为的质子和电子） 。