1、第 28卷第 6期 大 學 物 理 Vol . 28No . 62009年 6月 COLLEGE PHYSI CS June 2009 相對論 、 宇宙與時空 連載 相對論 、 宇宙與時空 連載 恒星演化的歸宿 (白矮星 、 中子星和黑洞 趙 崢(北京師范大學 物理系 , 北京 1008751 赫羅圖指向天空的望遠鏡發(fā)現(xiàn) , 千億計的恒星各式各 樣 , 它們不僅光度不同 , 顏色也各異 , 真是千姿百態(tài) 、 絢麗多彩 . 這里的光度 , 是指恒星的絕對光度 . 絕對光 度反映 , 之后 , 恒星的真實亮度 , 釋放出的光能 . . 恒星的顏色 , . (. Hertzs p rung 和美國

2、天文學家羅素 (Russell 各自獨立給出了一張表示 恒星光度和表面溫度的關(guān)系圖 , 稱為赫羅圖 (圖 1 . 注意 , 赫羅圖反映的不是恒星在天空中的位置分布 , 而是它們的光度和溫度之間的關(guān)系 . 由于溫度是由光 的顏色反映出來的 , 他們給每一個溫度范圍定義了一 個光譜型 , 從高溫的藍星到低溫的紅星 , 依次分為 O 、 B 、 A 、 F 、 G 、 K 和 M 共 7個光譜型 . 我們的太陽屬于黃色的 G 型 , 表面溫度約 6000K1 5. 圖 1 赫羅圖光譜型的名字很難記 , 有人編了一個小故事 :一 個年輕的天文學家初次用天文望遠鏡看星空 , 那五顏六色的天體讓他大為驚訝

3、 , 不禁大喊道 :“ Oh, be afine girl, kiss me ! ”(哦 , 真像一位仙女 , 吻我吧 ! . 這 句話的每個單詞的第一個字母 , . , . , (紅矮 . , 是黃色的恒星 , . 主星序的右上方有低溫而 巨大的紅巨星 , 左下方有小而高溫的白矮星 , 它們屬于恒星演化的不同階段 . 星際物質(zhì)在萬有引力作用下 塌縮變熱 , 點燃熱核反應(yīng) , 成為主序星 , 在這里度過它 們 99%的壽命 . 當恒星內(nèi)部的氫合成氦的反應(yīng)結(jié)束 時 , 恒星離開主星序 , 膨脹成紅巨星 . 然后再演變成白 矮星 . 下面 , 我們將詳細地介紹這一演化過程 .2 恒星的演化不同大小

4、和顏色的恒星 , 實際上處于恒星演化的 不同階段1 5. 宇宙誕生的初期 , 到處均勻分布著主要由氫和氦組成的氣體 , 在萬有引力的作用下氣體聚 集成團 , 形成星體 . 聚集過程中它們的引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能 , 使原本很冷 (溫度約 100K 的物質(zhì)溫度升 高 , 如果聚集成星體的氣體物質(zhì)很多 , 多到相當于太陽質(zhì)量 (1. 99×1033g 或大于太陽質(zhì)量 , 引力勢能轉(zhuǎn)化成的大量熱能可使星體內(nèi)部溫度升高到 107K , 從 而點燃星體中氫的聚變反應(yīng) . 這時 , 一顆發(fā)光發(fā)熱的 恒星就誕生了 . 恒星中氫聚變生成氦的熱核反應(yīng) , 可 以維持幾十到幾百億年 , 這時 , 恒星處在一

5、個長期穩(wěn) 定的階段 , 這個時期約占恒星壽命的 99%. 這樣的恒 星在赫羅圖中位于從左上方到右下方的主星序 , 稱為主序星 . 恒星在主星序上的位置由它的質(zhì)量決定 . 主 星序左上方的星質(zhì)量較大 , 最大可到 100M (M 為 太陽質(zhì)量 . 右下方的星質(zhì)量較小 , 最小不低于 0. 1M . 小于 0. 1M 的星體 , 點燃不了氫的聚變反應(yīng) . 處于主序星階段的恒星 , 在主星序上的位置基本不移 58 大 學 物 理 第 28卷動 , 直至氫的聚變反應(yīng)結(jié)束 , 恒星離開主星序為止 . 我們的太陽就是這樣一顆主序星 , 它的中心溫度高達115×107K , 壓強達到 3000億個

6、大氣壓 , 那里正進行 著猛烈的熱核反應(yīng) . 太陽在主序星階段的壽命約為 100億年 , 現(xiàn)在已經(jīng)在主序星階段燃燒了 50億年 , 目 前正處在它的中年時期 .恒星的存在 , 一方面依賴于萬有引力把物質(zhì)聚集 在一起 , 不致于漫天飛揚 , 另一方面則靠熱核反應(yīng)產(chǎn) 生的熱量 , 造成粒子迅速運動 , 產(chǎn)生排斥效應(yīng) , 使物質(zhì) 不致于收縮到一點 . 正是萬有引力的吸引作用與熱排 斥作用這對矛盾的存在 , 保證了恒星的生存 .當恒星中心部分的氫全部燃燒掉之后 , 恒星中部 的熱核反應(yīng)就停止了 , 這時萬有引力戰(zhàn)勝了熱排斥 , 星體開始收縮 . 由于恒星表面的溫度遠低于中心部分(例如太陽中心部分溫度為

7、 115×107K , 而表面溫度 只有 6000K , 那里還不曾發(fā)生過氫合成氦的熱核反 應(yīng) . 這時 , 隨著星體的塌縮 , 高 , 那里的氫開始燃燒 , , 8, , 氦聚合成碳 , 再合成氧 , 這些熱核反應(yīng)短暫而猛烈 , 像 爆炸一樣 , 稱為“ 氦閃 ” . 這種過程大約經(jīng)歷 100萬 年 , 在整個天體演化中 , 這是一個很短的“ 瞬間 ” . 此 后幾億年中 , 恒星進入一個短暫的平穩(wěn)期 . 當中心部 分的氦逐漸燃燒完之后 , 外層氫的燃燒不斷向更外部 擴展 , 星體膨脹得越來越大 , 膨脹到原來的 10億倍 . 由于外殼離高溫的中心越來越遠 , 恒星表面的溫度逐 漸

8、降低 , 從黃色變成紅色 . 由于體積巨大 , 這種紅色巨 星看來很明亮 . 著名的參宿四 (獵戶座 , 星座中最亮 的星編號為 , 其余依次為 , , 、 畢宿五 (金牛座 圖 2 紅巨星心宿二與太陽系大小的比較 、 大角 (牧夫座 和心宿二 (天蝎座 都是這樣 的紅巨星 (圖 2 . 主序星演化成紅巨星的過程 , 就是 它在赫羅圖中的位置離開主星序的過程 . 紅巨星位于 赫羅圖中主星序的右上方 . 50億年后 , 我們的太陽也 將由主序星演化成這樣的紅巨星 , 膨脹的太陽將逐步燃燒吞食掉水星 、 金星和地球 . 地球的軌道將被包在 紅巨星之內(nèi) , 海洋將全部沸騰蒸干 , 地球的殘骸將繼 續(xù)

9、在紅巨星內(nèi)部公轉(zhuǎn) , 紅巨星外層氣體灼熱而稀薄 , 比我們實驗室中所能得到的最好的真空還要空 , 所以 地球仍能存在 , 并繼續(xù)轉(zhuǎn)動 . 當然 , 生命已不可能在地 球上生存 .不過 , 50億年后的人類 , 已經(jīng)有極為發(fā)達的文 明 . 回想一下 , 從自然科學誕生的哥白尼時代到現(xiàn)在 , 才經(jīng)過了 500年 , 人類已經(jīng)能夠登月 , 50億年后的人 類將具有怎樣的科技水平就不難想象了 . 那時的人 類 , 肯定有能力遷移到其他星球去生存 . 銀河系內(nèi)有 1000億 2000億個太陽 , (既有一個太陽的太陽系 , , 三 , . 從現(xiàn) , , 其 , 可能更有利于生物的生存 . 總 之 , 銀

10、河系中肯定有大量適合人類生存的星球 , 未來 的人類一定會有能力 , 遷移到新的星球上去生存 . 如 果舍不得我們的故鄉(xiāng)地球 , 也有可能把地球一起遷移 到其他合適的太陽系去 . 例如可以設(shè)想在地球上造個 巨大的噴嘴 , 像駕駛火箭一樣駕駛地球 , 留下幾個駕 駛小組的人值班 , 其余的人則可用先進的冷凍技術(shù)冬 眠 , 到達目的地后再從冬眠狀態(tài)下復(fù)蘇過來 .核能源進一步枯竭之后 , 紅巨星將拋出一些氣 體 , 形成 “ 行星狀星云 ” . 一般來說 , 恒星在望遠鏡中 看是一個點 , 而行星離地球近 , 在望遠鏡中呈現(xiàn)為一 個圓面 . 所謂 “ 行星狀星云 ” , 實際上是恒星周圍的云 狀物質(zhì)

11、 , 在地球上用望遠鏡看 , 像行星一樣是一個小 圓面 , 其實與行星毫無關(guān)系 . 這個階段 , 紅巨星的中心 部分將塌縮 , 形成小而高密 、 高溫的白矮星 . 白矮星溫 度高 , 呈白色 ; 體積小 , 因而亮度小 . 它位于赫羅圖主 星序的左下方 . 隨著熱核反應(yīng)的逐漸停止 , 白矮星將 逐漸冷卻成為黑矮星 , 黑矮星由碳和氧兩種元素構(gòu) 成 , 是一種比鉆石還要硬的星體 . 白矮星冷卻成黑矮 星的過程十分緩慢 , 可能需要 100億年左右 (圖 3 .圖 3 恒星的演化 第 6期 趙 崢 : 相對論 、 宇宙與時空 連載 59 白矮星的主要化學成分是高密度的碳和氧 . 那么 宇宙中硅 、

12、 鎂 、 硫 、 鐵等元素來自何方呢 ? 它們來自超 大質(zhì)量恒星的演化 . 如果一顆恒星 , 在中心部分氫 -氦 熱核反應(yīng)終止 , 開始從主序星向紅巨星演變時 , 還保 有 8M 以上的質(zhì)量 , 那么 , 它們會發(fā)生更深層次的熱 核反應(yīng) . 這種超大質(zhì)量恒星的內(nèi)部 , 在塌縮時巨大的引力勢能可把那里的溫度加熱到 6×108K 以上 , 使碳 發(fā)生聚合反應(yīng)生成氖和鎂 , 這時溫度進一步升到 109K , 氖與氦又合成鎂 . 此反應(yīng)導(dǎo)致溫度再升到 115×109K 以上 , 氧開始燃燒合成硫 、 硅等元素 . 然后 , 溫度 進一步升到 3×109 K 以上 , 硅開

13、始燃燒 , 并引發(fā)成百 上千種核反應(yīng) , 最終生成鐵 . 這些重元素合成的時間 很短 , 例如對于 25M 質(zhì)量的恒星 , 碳可燃燒 600年 , 氖燃燒 1年 , 氧燃燒 6個月 , 而硅只燃燒 1天就燒光 了 . 這時恒星的最中心部分由新生成的鐵組成 , 往外 依次是硅硫 、 氧鎂 、 氖氧 、 碳氧 、 . 部分構(gòu)成恒星的內(nèi)核 . -中不斷膨脹 , 超紅巨星 . , 的右上方 . , 那么連冥王星軌道 都將被其吞沒 .恒星內(nèi)核逐漸降溫 , 在巨大的萬有引力下繼續(xù)塌 縮 , 最終形成位于赫羅圖左下方的中子星 . 在中子星 生成過程中 , 猛烈的大爆炸把部分重元素拋向太空 , 成為星際物質(zhì)

14、. 這些星際物質(zhì)在適當?shù)那闆r下可以形 成新的恒星 、 行星 , 或被其他恒星俘獲 , 聚集成行星 . 這就是行星中重元素的來源 .圖 4 主序星 、 紅巨星 、 白矮星 、 中子星與黑洞大小的比較白矮星與中子星是高質(zhì)量密度的恒星 . 在赫羅圖 中 , 它們是恒星演化的歸宿 . 主序星中心部分的核燃 料氫耗盡之后 , 先膨脹成紅巨星 , 再塌縮成白矮星 . 質(zhì)量超過 8M 的主序星 , 則先膨脹成超紅巨星 , 再塌縮成中子星或黑洞 , 并在塌縮過程中引起超新星爆發(fā) (圖 3、 圖 4 .3 白矮星人類確認的第一顆白矮星是天狼星的伴星 (天狼 B 星 1 4. 天狼星的希臘名字為大犬座 星 . “

15、 天 狼 ”是中國人起的名字 . 它是除太陽外 , 肉眼看來最 亮的一顆恒星 . 天狼星之所以看起來很亮 , 是因為它 離我們比較近的緣故 . 冬天的黃昏之后 , 它出現(xiàn)在東南方的天空 . 天狼星的左下方 , 有中國古人稱為“弧 矢 ” 的一組星 . 在中國古代 , . 古人用弧矢射天狼來表示抗擊侵略 (圖 5 弧矢射天狼屈原曾在詩中寫道 :“ 舉長矢兮射天狼 , 操余弧 兮反淪降 . ” 宋朝詩人蘇東坡也在一首詞中寫道 :“ 會 挽雕弓如滿月 , 西北望 , 射天狼 ” . 但是天狼星從來不 出現(xiàn)在天空的西北方向 . 蘇東坡這樣寫 , 一方面是因 為天狼星在弧矢的西北方向 , 另一方面是因為

16、北宋 時 , 侵略力量主要來自西北方的西夏 .恒星 , 顧名思義在天空中是不動的 . 也就是說 , 在 地球上的人看來 , 恒星之間的相對位量是不變的 , 這 是由于它們離我們太遠的緣故 . 太陽是離我們最近的 恒星 , 光走 8m in 可以到達地球 . 其他恒星就遠多了 , 離太陽最近的比鄰星 (屬于中國人所說的“ 南門二 ” , 希臘名字叫半人馬座 , 這是一組由 3顆恒星組成的 “ 三合星 ” , 3個 “ 太陽 ” 圍繞它們的共同重心旋轉(zhuǎn) . A 、 B 兩星相互距離較近 , C 星即比鄰星 , 離我們最近 . 光到達地球要走 4年多 . 也就是說 , 它們距離我們 4個多 l .

17、y . (l . y . 為光年 , 光走 1年的距離 . 牛郎星距 離我們 16l . y . , 織女星則有 27l . y . , 它們二者相距也 差不多 16l . y . 因為恒星離我們非常遙遠 , 它們之間 也相距十分遙遠 , 所以肉眼一般很難看出恒星之間相對位置的變化 . 只有離地球最近的一些恒星 , 我們才 60 大 學 物 理 第 28卷能察覺這種變化 3, 6.1834年 , 人們發(fā)現(xiàn)距我們約 9l . y . 的天狼星在天 空的位置有周期性變化 , 推測它可能有一顆質(zhì)量不小 的伴星 . 天狼星位置的周期性變化 , 正是天狼與其伴 星繞著它們的共同重心旋轉(zhuǎn)的表現(xiàn) (圖 6

18、. 28年后 , 發(fā)現(xiàn)了這顆伴星 , 質(zhì)量與太陽差不多 , 但體積只有地球那么大 . 由于體積太小 , 雖然表面溫度高達 2×104K , 發(fā)出很強的白光 , 仍很難發(fā)現(xiàn)它 . 因為它又白又小 , 所以稱其為白矮星 . 當時最讓人驚訝的是它的密度 , 約為 2. 5t /c m 3, 這是地球上的任何物質(zhì)都遠遠比 不上的. 圖 6 天狼星與其伴星研究表明 , 白矮星不是一顆普通物質(zhì)形態(tài)的星 . 它既不像一般恒星那樣 , 靠熱效應(yīng)產(chǎn)生的排斥來對抗 自身的萬有引力 , 也不像行星 、 衛(wèi)星那樣靠晶格間(或分子間 、 原子間 的電磁力來抗衡萬有引力 , 而是 靠泡利不相容原理產(chǎn)生的電子簡并

19、壓強來抵抗引 力1 4, 7, 8.紅巨星的內(nèi)部物質(zhì)在氫聚合成氦的熱核能耗盡 時塌縮 , 此塌縮過程迅速而猛烈 , 相當于恒星壽命的 一瞬間 (約 100萬年 , 稱為“ 氦閃 ” . 在氦閃過程中 , 氦聚變生成碳和氧 , 這時原子間的電磁力頂不住自身 萬有引力的猛烈擠壓 , 原子的電子殼層被壓碎 , 形成 電子在晶格中自由穿行 , 或者說原子核構(gòu)成的晶格框 架漂浮在電子海洋中的狀態(tài) . 在這種電子海洋 (或電 子氣 中 , 電子的狀態(tài)由能量 、 動量和自旋決定 . 由于 量子化 , 能級 、 動量值和自旋值都是離散的 , 都只有有 限個 . 當物質(zhì)壓緊時 , 由于體積縮小 , 上述量子態(tài)將

20、被 電子擠滿 . 泡利不相容原理不允許兩個電子處在同一 個狀態(tài) , 正如一個蘿卜一個坑 , 同一個坑里不允許有 兩個蘿卜存在一樣 . 如果硬要在同一個坑里放兩個蘿 卜 , 它們就會互相排擠 . 同樣 , 相互靠近的電子將產(chǎn)生 一種新的排斥力 (這種新的“ 泡利斥力 ” 不是同種電 荷產(chǎn)生的那種斥力 , 只有滿足泡利不相容原理的費米子之間才存在這種力 , 也稱費米壓強 , 阻止體積進一步縮小 . 這種力頂住了萬有引力 , 使得星體不再塌 縮 , 這就是白矮星狀態(tài) .太陽的半徑為 7×105km , 太陽質(zhì)量的白矮星半徑只有 104km . 研究表明 , 宇宙間存在大量白矮星 , 大 約

21、占恒星總數(shù)的 1/10. 這就是說 , 在銀河系的 1000億顆恒星中 , 有大約 100億顆是白矮星 . 它們的密度 一般在 0. 1100t /c m 3之間 . 白矮星像一塊熾熱的金剛石 (主要成分是碳和氧 , 內(nèi)部溫度可高達 108K . 隨 著內(nèi)部核反應(yīng)的逐漸停止 , 白矮星會慢慢冷卻 , 最終 形成一塊不發(fā)光的 、 比鉆石還硬的晶體 黑矮星 . 黑矮星就像一塊巨大的金剛石一樣 , 在宇宙空間游 蕩 . 不過 , , 這是因為 , 與宇宙的 , , .、 白矮星在銀河 系中數(shù)量很多的人 , 是英國天體物理學家愛丁頓 . 最 早認識到電子之間的泡利斥力可以抗拒恒星引力塌 縮的人是英國物

22、理學家狄拉克 . 而第一個建立起白矮 星結(jié)構(gòu)理論的人 , 則是印度青年物理學家錢德拉塞 卡 .1930年 , 在一艘從印度開往英國的輪船上 , 一位 20歲的印度青年一會兒冥思苦想 , 一會兒埋頭計算 .他就是錢德拉塞卡 , 大學畢業(yè)后打算去投奔著名的愛丁頓教授 , 攻讀天體物理 . 此時他正在鉆研白矮星的 結(jié)構(gòu) . 他把相對論 、 量子論與統(tǒng)計物理結(jié)合到一起考 慮 , 認為泡利不相容原理所產(chǎn)生的電子之間的排斥力 有一個限度 . 這種排斥力可以抵擋住質(zhì)量小于 1. 4M 的恒星的重力 , 但抵擋不住質(zhì)量更大的恒星的重 力 . 也就是說 , 質(zhì)量小于 1. 4M 的恒星在冷卻的時 候 , 有可能

23、靠這種力抵擋住自身的萬有引力 , 不再進 一步塌縮 , 而形成原子核構(gòu)成的晶格框架在電子海洋 中漂浮的狀態(tài) . 白矮星上的物質(zhì)就處于這種狀態(tài) . 但 是 , 如果恒星質(zhì)量大于 1. 4M , 萬有引力將迫使電子 更加靠近 , 這時電子間泡利斥力會增大 , 但電子速度 也會增大 , 當電子速度接近光速時 , 會形成“ 相對論 性電子氣 ” , 這時泡利斥力會突然減弱 . 這種力將抗 不住恒星的自身引力 , 恒星將進一步塌縮下去 . 他認 為 , 1. 4M 是一個界限 . 不存在大于這個質(zhì)量的白矮 星 .當輪船靠岸時 , 他已經(jīng)得出了重要的結(jié)果 . 錢德 拉塞卡非常興奮 , 準備把自己的研究結(jié)果

24、作為見面 禮 , 送給愛丁頓教授 . 錢德拉塞卡滿心以為愛丁頓教 第 6期 趙 崢 : 相對論 、 宇宙與時空 連載 61授會夸獎他 . 然而 , 愛丁頓聽完他的講述后非常冷淡 , 認為他的結(jié)論不對 . 錢德拉塞卡是個忠厚而彬彬有禮 的青年 , 他沒有與教授爭吵 , 而是進一步推敲自己的 工作 . 以后錢德拉塞卡曾多次向愛丁頓陳述自己的觀 點 , 均被愛丁頓否定 .有一天 , 愛丁頓告訴 24歲的錢德拉塞卡 , 為他爭 取到一個在重要學術(shù)會議上報告其工作的機會 , 而且 運用自己的影響為錢德拉塞卡爭得比別人更長的報 告時間 . 使他能夠更充分地闡述自己的觀點 . 在開會 之前 , 他又告訴錢德

25、拉塞卡 , 他也要在這個會議上作 報告 , 而且題目與錢德拉塞卡相同 , 都是關(guān)于星體塌 縮與白矮星形成的 . 錢德拉塞卡立刻擔心起來 , 怕愛 丁頓搶奪他的研究成果 . 然而 , 結(jié)果卻與他預(yù)料的完 全相反 . 當錢德拉塞卡報告完自己的工作的時候 , 愛 丁頓當面撕掉錢德拉塞卡的論文 , 說他是一派胡言 . 愛丁頓的理由很簡單 :重力 , 星體將無限坍縮 , . . 愛 , , 態(tài)度強硬 . , 由于愛丁頓的崇高 學術(shù)威望 , 大家都認為他在學術(shù)上鬧了大笑話 . 然而泡利肯定了錢德拉塞卡的工作 . 當錢德拉塞 卡向泡利征求意見 , 并告訴泡利 , 愛丁頓教授認為他 的這一工作違反泡利不相容原

26、理的時候 , 泡利笑了起 來 , 說 :你的這件工作也許違背了愛丁頓不相容原理 , 但沒有違背我的不相容原理 .錢德拉塞卡的理論終于得到了公認 , 他所指出的 白矮星的質(zhì)量上限 , 被稱為錢德拉塞卡極限 1 4, 7, 8:錢德拉塞卡極限 =1. 4M(1 目前 , 錢德拉塞卡極限是任何天文工作者都知道 的一個極限 . 1983年 , 73歲的錢德拉塞卡 , 由于研究 白矮星和其他方面的杰出貢獻獲得了諾貝爾物理學 獎 . 錢德拉塞卡 24歲做出重大成就 , 73歲才獲獎 . 人 們開玩笑說 , 要想得到諾貝爾獎金 , 不僅要作出杰出 的貢獻 , 還要活得足夠長久 , 要活到評上獎的那一天 .

27、諾貝爾獎是不發(fā)給已死去的人的 .4 脈沖星和超新星爆發(fā)質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限的星體 , 電子將被壓入 原子 核 中 , 與 其 中 的 質(zhì) 子 合 併 成 中 子 , 成 為 中 子 星 1 4, 7 9. 中子星與白矮星有些類似 , 它不是靠熱排 斥或電磁作用來抗衡引力 , 而是靠中子間的簡并壓強 (泡利斥力 來抗衡 . 早在發(fā)現(xiàn)中子的 1932年 , 就有 人預(yù)言了中子星的存在 , 然而發(fā)現(xiàn)中子星則是 30多 年之后的事 .1967年的夏天 , 劍橋大學的休伊什 (A. He wish 教授用自己設(shè)計的儀器進行巡天觀測 , 搜尋來自宇宙 間的電 磁 波 . 他 的 主 要 助 手 是 女

28、研 究 生 貝 爾 (J. Bell . 一天晚上 , 貝爾發(fā)現(xiàn)一個奇怪的電波源 , 其發(fā) 射的短脈沖是嚴格周期性的 . 貝爾立刻打電話告訴了 自己的老師 . 休伊什來到觀測室與貝爾仔細探討 , 然 后囑咐貝爾嚴格保密不要外傳 . 經(jīng)過半年的反復(fù)驗 證 、 推敲 , 他們終于在 1968年 2月于英國的 自然 雜志 (Nature 上公布了這一驚人的發(fā)現(xiàn) . 然而只公布 了觀測結(jié)果 , 而沒有公布脈沖源在天空的方位 . 他們 , 因而取了個代 號叫 “ 小綠人 ” .“ , ., 同行們紛紛來 , 急于參加進來共同研究 . 但休伊什遲遲不予公布 . 最后在同行們的憤怒壓力 下 , 休伊什終于公

29、布了幾個脈沖源的位置 . 不久人們 就認識到 , 這些脈沖根本不負載任何信息 , 因而不可 能是什么外星人的聯(lián)絡(luò)信號 , 而是一種未知星體發(fā)射 來的電磁波 . 人們把這種星叫做脈沖星 . 進一步的研 究表明 , 脈沖星就是中子星 .休伊什與貝爾共同發(fā)現(xiàn)脈沖星 , 對天體物理學做 出了重大貢獻 . 1974年 , 諾貝爾獎評委會拋開貝爾 , 單獨把諾貝爾物理學獎授予了休伊什 . 對此事 , 國際 天文界議論紛紛 , 許多人為貝爾鳴不平 . 霍金就在自 己的 時間簡史 (插圖本 中稱貝爾首先發(fā)現(xiàn)了脈沖 星 , 并且只刊登了貝爾一個人的相片 (圖 7 .圖 7 中子星的發(fā)現(xiàn)者 休伊什 、貝爾與他們使

30、用的天線陣1968年秋 , 在蟹狀星云和船帆座中幾乎同時發(fā) 現(xiàn)了脈沖星 9. 這兩顆脈沖星都位于以前出現(xiàn)過超 新星的位置上 . 這是一個重要發(fā)現(xiàn) , 它表明脈沖星 62 大 學 物 理 第 28 卷 (中子星 是由超新星爆發(fā)而形成的 . 超新星是恒星 演化晚期發(fā)生的一種大爆炸現(xiàn)象 ,爆炸規(guī)模相當于幾 百億億億顆百萬噸級的氫彈 ! 一天里放出的能量相 當于太陽在數(shù)十萬年間放出的總能量 . 這時 , 星的亮 度會增加上億倍 ,使人們覺得天空中突然出現(xiàn)了一顆 亮星 (圖 8 . 但存在時間不會太長 , 肉眼所見一般不 過幾年 ,最亮的時間不過幾天到幾十天 . 在公元 1054 年左右由小星開始膨脹的

31、 . 也就是說 ,蟹 狀星云正是 1054 年超新星爆發(fā)噴出的物質(zhì) , 星云中 心的那顆小暗星 ,應(yīng)該是當年超新星爆發(fā)后剩下的殘 余星體 (圖 10、 11 . 1968 年秋 ,人們發(fā)現(xiàn)蟹狀星云 圖 中的這顆小星也是一顆脈沖星 . 于是人們認識到 , 脈 沖星 (中子星 是由超新星爆發(fā)而形成的 . 圖 8 超新星爆發(fā) 我國的史書記載 , 公元 1054 年在金牛座出現(xiàn)過 超新星 ,日本 、 、 朝鮮 越南的史書也有這次超新星爆發(fā) 的記錄 ,但以我國的記錄最為詳細 (圖 9 . 而且只有 我國記錄了這顆超新星在天空的位置 ,這對后來認識 超新星與蟹狀星云 、 中子星的關(guān)系至關(guān)重要 9 圖 10

32、 蟹狀星云 . 我國 古代稱超新星為客星 . 記錄說 , 宋仁宗“ 至和元年五 月 ,客星晨出東方 ,守天關(guān) . 晝見如太白 ,芒角四出 ,色 赤白 ,凡見二十三日 ”有二十三天能在白天看見 , 像 . 金星一樣明亮 . 此后白天看不見了 ,但有二年多時間 , 夜晚仍然能看見 . 可見 ,這次超新星爆發(fā)之猛烈 ,發(fā)生 地點離我們太陽系之近 . 特別令人感興趣的是 , 望遠 鏡出現(xiàn)之后 , 在我國古代天文學家記錄的客星位置 上 ,人們觀察到一個螃蟹狀的星云 , 星云由氣體和塵 埃組成 ,它在不斷地膨脹 , 其膨脹速度達每秒 1 100 多公里 . 從觀測到的膨脹速度 , 可以計算出此星云是 圖

33、11 蟹狀星云在星空的位置 我國古代的天文記錄十分豐富 .后漢書 天文 志 中還記載 ,公元 185 年 ,“ 南門 ” 中有客星出現(xiàn) . 近 代天文觀測發(fā)現(xiàn) ,在那個位置上也有一顆小暗星 . 南 京大學天文系的陸琰教授預(yù)言此星是 射線脈沖 星 , 后來被觀測所證實 . 一般脈沖星只發(fā)射無線電波 , 不發(fā)射 射線 . 發(fā)射 射線的脈沖星十分稀少 , 至今 只發(fā)現(xiàn)了 7 顆 . 中子星具體怎樣形成呢 ? 如前所述 , 超過 8 M 的主序量在演變成超紅巨星之后 ,中心部分核反應(yīng)溫 9 度可升高到 3 × K, 生成以鐵為中心的核 , 外層則 10 仍在進行氫轉(zhuǎn)化為氦的熱核反應(yīng) . 圖

34、9 中國古代的超新星記錄 第 6期 : 趙 崢 相對論 、 宇宙與時空 連載 5 3 63 生成的鐵核越來越大 , 僅靠原子間的電子斥力已 不能支撐它自身的重量 . 這時 , 鐵核將進入白矮星狀 態(tài) , 電子的泡利斥力將起來抗衡萬有引力 . 當鐵核質(zhì) 量超過 1. 4 M 的錢德拉塞卡極限時 ,鐵核突然塌縮 , 在 0. 1 s內(nèi)溫度猛增到 5 × K, 電子與質(zhì)子中和成 10 中子 , 在超紅巨星的中心形成一個主要由中子構(gòu)成的 超大原子核 , 這是一種中子態(tài)的物質(zhì) , 靠泡利不相容 原理產(chǎn)生的簡并中子壓強來支撐自己 . 在星體的中心形成中子態(tài)物質(zhì)的同時 , 非中子化 的外層開始塌縮

35、 , 砸在核心的中子態(tài)物質(zhì)上 , 并發(fā)生 猛烈的反彈 , 形成超強沖擊波 , 把超紅巨星的外層包 括核的外層全部炸掉 , 拋入太空 . 這就是超新星爆發(fā) , 它在 1 天內(nèi)發(fā)出的光相當于主序量 (例如今天的太 陽 1 億年發(fā)出的光 . 它噴出的物質(zhì) , 包括許多重元 素 , 成為形成新的恒星和行星的原材料 . 包括我們地 球在內(nèi)的眾多行星中的重元素 , 都來自超新星爆發(fā) . 超新星爆發(fā)現(xiàn)象是比較稀少的 , 一般說來 , 一個星系 (一個銀河系 100 年內(nèi)大約能產(chǎn)生 4 顆超新星 . 如上所述 , 中國有著世界上最早的超新星記載資 料 . 根據(jù)我國古代的觀測記錄 , 再結(jié)合現(xiàn)在的天文觀 測 ,

36、 可以證實超新星爆發(fā)后 , 會有氣體塵埃形成的云 霧向四面八方噴出 , 而爆發(fā)之后剩下的星體核心部 分 , 將形成中子星 (或黑洞 . 9 從上到下逐漸增加 , 約 1 4 × t/ cm , 上層類似于 10 白矮星物質(zhì) (圖 12 . 圖 12 中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 由于巨大的萬有引力 ,中子星表面不可能形成高 的山峰 . 它的表面平坦 ,最高峰也只有幾厘米高 . 表面 7 溫度約 10 K左右 . 許多中子星會發(fā)射出周期極短 (約 1 s 的射電 脈沖 , 這種脈沖正是休伊什和貝爾在 1967 年發(fā)現(xiàn)的 那種 . 研究表明 , 這種脈沖來自中子星的磁軸方向 , 那 里好像一個窗口

37、,從里面射出各種波長的電磁脈沖 . 這是由于恒星塌縮成中子星時體積極大地縮小 , 但磁 場依然保留 , 所以 , 中子星表面的磁場極強 , 強磁場使 電子加速 , 并沿磁軸方向發(fā)射電磁波 (圖 13 . 另外 , 恒星塌縮成中子星時 , 半徑極大縮小 , 但角動量守恒 , 所以中子星旋轉(zhuǎn)極快 . 中子星的磁軸與自轉(zhuǎn)軸一般不 重合 , 窗口射出的輻射就像探照燈的光柱一樣在宇宙 中掃描 , 每掃過一次地球 , 我們就收到一個脈沖 . 中子 星自轉(zhuǎn)極快 , 自轉(zhuǎn)周期約 1 s, 所以我們收到的脈沖間 隔是 1 s左右 . 研究表明 , 所有的脈沖星都中子星 , 但 不是所有的中子星都能觀測到脈沖輻射

38、 . 中子星的密度遠高于白矮星 . 太陽質(zhì)量的中子星 5 中子星 中子星的質(zhì)量密度非常高 . 研究表明 , 它們主要 1 4, 7 9 由中子構(gòu)成 . 中子星可以看作大原子核 . 一般 57 55 中子星中含有約 10 個中子 ,此外還有約 10 個質(zhì)子 及同樣數(shù)目的電子 . 這些質(zhì)子和電子填滿了中子可能 衰變的態(tài) ,阻止中子衰變 ,使中子星穩(wěn)定 ,成為一個穩(wěn) 定的大原子核 . 中子星也有點像“ 湯姆孫原子 ”電子 , 嵌在帶正電的核中 . 如果分別用原子核中的質(zhì)子數(shù)和 中子數(shù)作縱坐標和橫坐標 , 那么 , 通?；瘜W元素中穩(wěn) 定性好的原子核 , 基本分布在過原點的 45 ° 線附近

39、, 質(zhì)子數(shù) Z 不超過 106 的地方 ,形成不穩(wěn)定海洋中的一 個穩(wěn)定半島 . 中子星則可以看作遠離半島的一個穩(wěn)定 島. 實際上 , 中子星其有復(fù)雜的結(jié)構(gòu) , 其核心部分由 半徑 10 km 左右的中子態(tài)物質(zhì)構(gòu)成 , 主要是黏度為零 的超流態(tài)中子液 , 密度可達 10 t / cm . 它的中心是一 個半徑約 1 km 的固體核心 , 可能由夸克態(tài)組成 , 密度 9 3 可能超過 10 t/ cm . 中子態(tài)外面有厚約 4 km 的結(jié)晶 8 3 幔 , 密度約 10 t/ cm . 最外面可能是一個厚約 1 km 的 鐵殼 , 鐵原子核組成的晶格浸在簡并電子海中 , 密度 9 3 圖 13 脈

40、沖星模型 64 8 9 3 大 學 物 理 第 28 卷 半徑只有 10 km , 密度高達 10 10 t / cm . 研究表明 , 中子星也有一個質(zhì)量上限 , 稱為奧本 海默極限 ,大約 3 4 M , 超過這一極限的中子星會 不穩(wěn)定 ,進一步塌縮形成黑洞 . ( 2 奧本海默極限 = 3 4 M 教的平易近人的導(dǎo)師 . 朗道則認為自己比一般人聰 明 . 有人畫了一幅漫畫 , 朗道坐在講臺上 , 指手畫腳 、 唾沫星四濺地演講 , 下面坐著一群戴眼鏡的驢在傾 聽 . 朗道認為這幅畫很好 , 把它選入了自己的自選文 集 . 有一次 ,玻爾到蘇聯(lián)訪問作大會報告 ,栗弗席茲當 白矮星和中子星表

41、面的引力場都遠遠強于地球 翻譯 . 報告中間 , 坐在主席臺上的朗道插話問玻爾 : 引力場和太陽引力場 . 但是即使是白矮星 , 研究它時 “ 您有什么魅力 ,能夠吸引那么多優(yōu)秀的年青人在您 也不需要用到廣義相對論 , 萬有引力定律對白矮星已 經(jīng)足夠精確 . 不過 , 對于中子星 , 廣義相對論引起的修 正必須考慮 , 萬有引力定律的精確度已經(jīng)明顯不夠 了. 1974 年 , 美國麻省大學的泰勒和赫爾斯發(fā)現(xiàn)一 對致密雙星 , 兩顆星都是中子星 , 其中一顆是脈沖星 . 他們經(jīng)過多年觀測 , 發(fā)現(xiàn)此雙星的轉(zhuǎn)動周期每年減少 - 4 7, 8 10 s . 廣義相對論認為 , 如果物質(zhì)源作非球?qū)ΨQ

42、的運動 ,此源造成的時空彎曲會以波的形式向外傳 播 ,這就是引力波 . 引力波會帶走能量 . 長期以來 , 對 于是否存在引力波進行過不少爭論 . 尋找引力波的實 驗作了不少 ,但還沒有得到肯定的結(jié)果 . 根據(jù)廣義相 對論 ,這對高速旋轉(zhuǎn)的中子星 ,應(yīng)該輻射引力波 . 泰勒 等人的研究表明 ,輻射引力波損失的能量 , 恰好使這 - 4 對雙星的旋轉(zhuǎn)周期每年減少 10 s 泰勒等人的工 . 作 , 是迄今為止得到的存在引力波的第一個證據(jù) . 他 們的工作也是對廣義相對論的有力支持 . 1993 年 , 泰 勒和赫爾斯因此而得到諾貝爾物理學獎 . 第一個預(yù)言中子星的是蘇聯(lián)物理學家朗道 . 1932

43、 年 , 查德威克發(fā)現(xiàn)中子的消息傳到哥本哈根理論物理 研究所 , 玻爾立即招集全所工作人員開會 , 讓大家談 談對發(fā)現(xiàn)中子的感想 . 當時朗道正在該所進修 , 他立 即發(fā)言 , 說宇宙間可能存在完全由中子構(gòu)成的星 . 很 4 快 , 朗道發(fā)表了首篇討論中子星概念的論文 . 30 多 年后 ,中子星果然發(fā)現(xiàn)了 . 當然 , 從今天的了解看 , 中 子星具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu) ,遠比朗道想象的要復(fù)雜得多 . 朗道是一位極其杰出 、 極其聰明的物理學家 . 他 是一個猶太人 . 14 歲上大學 , 19 歲畢業(yè) , 21 歲前往哥 本哈根等地進修訪問 , 半年后回國 . 他于 1946 年 ( 39 歲 當

44、選為蘇聯(lián)科學院院士 . 由于在物質(zhì)凝聚態(tài) , 特 別是液氦研究中的成就 , 朗道獲得 1962 年諾貝爾物 理學獎 . 朗道在栗弗席茲的協(xié)助下 ,完成了 10 卷理論 物理學的編著 . 這套物理學書籍水平極高 , 對世界物 理學界產(chǎn)生了不小的影響 . 楊振寧教授認為 , 愛因斯 坦、 狄拉克和朗道是 20 世紀最杰出的 3 位物理學家 . 朗道與玻爾建立了深厚的友誼 ,然而他們二人的 作風截然不同 . 玻爾是一個非常謙虛 、 樂于向?qū)W生請 的周圍 ? ” 玻爾用英語回答道 :“ 因為我不怕難為情 , 我愿意當著年青人的面承認自己愚蠢 ”栗弗席茲翻 . 譯成俄語 :“ 因為我不怕難為情 , 我愿

45、意當著年青人 的面說他們愚蠢 ”會場上許多人聽得懂英語 , 立刻 . 哄堂大笑 . 事后 ,大家認為這不能怪栗弗席茲沒有聽 清楚 ,事實上這反映了玻爾與朗道截然相反的作風 , 作為朗道助手的栗弗席茲 ,想不到玻爾會那樣回答 . 朗道招收研究生非?？量?. 考生必須通過一系列 嚴格艱難的考試 , 稱為“ 朗道位壘 ”中國留學生中 , . 只有兩個人通過了“ 朗道位壘 ”第一個人用了近兩 . 年時間考過了 ,朗道說 :“ 你考了那么長時間 , 讀了不 少書 ,可以去教書了 ! ” 沒有收他作研究生 . 另一位穿 越“ 朗道位壘 ” 的中國留學生是郝柏林 . 他現(xiàn)在是中 國科學院院士 . 不過 ,

46、郝柏林先生也未能正式跟隨朗 道學習 ,原因是恰在此時朗道出了車禍 . 一個下雪天 朗道與另外幾位物理學家從莫斯科去杜布納聯(lián)合核 子研究所 ,小轎車不幸與一輛卡車相撞 , 其余幾人都 沒有問題 ,但朗道教授受傷了 . 車內(nèi)有一箱雞蛋 ,蛋一 個沒有碎 ,但朗道教授的腦子不行了 . 雖經(jīng)醫(yī)院搶救 , 朗道活了過來 ,但物理都忘了 . 6 黑洞的形成 奧本海默等人認為 ,如果恒星質(zhì)量超過奧本海默 極限 ,則中子之間的泡利斥力也阻擋不住星體的塌 縮 ,這時星體物質(zhì)將塌縮到自身的引力半徑之內(nèi) , 形 4, 7, 8 成黑洞 . 有人會問 ,難道不可能有密度介于中子星和黑洞 之間的穩(wěn)定星體存在嗎 ? 我們

47、目前的知識水平僅到 中子 、 、 質(zhì)子 夸克為止 ,這不可能是人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的 最終的 、 全部的認識 . 也許以后還會發(fā)現(xiàn)什么效應(yīng) ,或 什么物質(zhì)結(jié)構(gòu) ,能夠支撐住星體不塌縮成黑洞 . 應(yīng)該 說 ,這種可能性是存在的 ,但可能性并不大 . 質(zhì)量相當 于太陽的恒星 , 其形成中子星時半徑約 10 km、 密度 8 3 10 為 3 × t / cm ; 形成黑洞時半徑約 3 km、 10 密度為 10 3 t / cm ,二者相差不大 . 特別是從天文學的角度看 , 這 點差別簡直微乎其微 . 所以介于二者之間的星體 , 雖 有存在可能 ,但可能性并不大 . 第 6期 : 趙 崢 相對論 、 宇宙與時空 連載 65 從超新星爆發(fā)等現(xiàn)象看 ,星體的塌縮可能是一種 非常猛烈的過程 . 爆炸崩掉恒星的外殼 , 同時產(chǎn)生指 向星體中心的巨大壓力 ,使星體的中心部分形成中子 星或黑洞 . 除去恒星塌縮外 ,形成黑洞還有其他途徑 . 例如 , 在星系的中心聚集著億萬顆太陽和別的物質(zhì) ,在演化