“鉆石星球”與“脈沖星球” | 星星背后的物理（五）
?圖片來(lái)源：pixabay
導(dǎo)讀：
我們已經(jīng)知道了人類是如何將飛行器送入太空的。隨著人類觀測(cè)到的視野不斷擴(kuò)大，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)除了太陽(yáng)系內(nèi)的行星、衛(wèi)星和彗星之外，宇宙中還有很多神秘的天體，今天我們就走進(jìn)恒星終結(jié)的兩種歸宿——白矮星和中子星，一探究竟。
撰文 | 張?zhí)烊兀绹?guó)德州大學(xué)奧斯汀分校理論物理博士）
審校 | 張雙南（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員）、鄭永春（中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員）
● ● ●
我們?cè)?jīng)介紹過(guò)太陽(yáng)的生命周期，太陽(yáng)的最后“歸宿”是紅巨星和白矮星。但是，太陽(yáng)還有幾十億年的壽命，這時(shí)間實(shí)在太長(zhǎng)了，我們中的任何人都等不到那一天！不過(guò)，銀河系中的眾多恒星給我們展示了這兩種天體的樣板。在離太陽(yáng)系大約350光年遠(yuǎn)的地方，有一對(duì)有趣的聯(lián)星系統(tǒng)，正好由一個(gè)紅巨星和一個(gè)白矮星組成，它們的英文名字叫“Mira（A和B）”，中文名字很特別：蒭藁增二【注1】，是來(lái)自中國(guó)古代的星官名。
?圖1：米拉A和米拉B
再過(guò)大約50億年，太陽(yáng)核心的核聚變材料（氫）燒完了，會(huì)經(jīng)歷一個(gè)突然膨脹成為紅巨星的階段。那時(shí)的太陽(yáng)將變成一個(gè)大紅胖子！這段“紅胖子”時(shí)間雖然也有好幾億年，但在天文學(xué)家們的眼中卻不算一回事，因?yàn)樗麄円紤]的時(shí)間尺度都太大了。那么，太陽(yáng)為什么突然會(huì)變成個(gè)大紅胖子呢？因?yàn)樵诤阈堑闹餍蛐请A段，熱核反應(yīng)將氫合成為氦，如果氫沒(méi)有了，核心中的氦又累積到了一定的比例，在核心處便會(huì)進(jìn)行激烈的氦燃燒，導(dǎo)致失控的核反應(yīng)（氦融合），像氫彈爆炸一樣，轟隆一聲巨響，短時(shí)間內(nèi)釋放出巨大能量。天文學(xué)家們將這一過(guò)程叫做“氦閃”，這一閃就是一百萬(wàn)年！結(jié)果閃出了一個(gè)“大紅胖子”，“胖子”內(nèi)部的氦還在繼續(xù)燃燒，核心溫度達(dá)到1億攝氏度。待大比例的核心物質(zhì)轉(zhuǎn)換成碳之后，太陽(yáng)內(nèi)部溫度開始逐漸下降。隨著外層的星云物質(zhì)逐漸被削去，引力使得星體向核心塌縮，體積逐漸縮小。最后，一個(gè)“白矮子”從“紅胖子”中脫穎而出，這便是太陽(yáng)年老時(shí)的模樣：白矮星！太陽(yáng)目前的體積等于一百萬(wàn)個(gè)地球，但它成為白矮星后，體積將縮小到地球一般大小。因此，白矮星的密度極高，從其中挖出一立方厘米的方糖大小的的物質(zhì)，重量可達(dá)到一噸！
白矮星剛形成時(shí)的表面溫度很高，呈現(xiàn)白色。但由于內(nèi)部核聚變反應(yīng)已經(jīng)停止，只能靠過(guò)去積累的能量發(fā)出一點(diǎn)余熱。這些“年邁”的恒星也明白“人老珠黃”的道理，它們發(fā)出的光線十分黯淡，剩余能量將慢慢流淌，表面逐漸變暗，直到無(wú)光可發(fā)，變成一顆看不見的，如同一大塊金剛石（鉆石）形態(tài)的“黑矮星”為止！目前在宇宙中觀察到的白矮星數(shù)目已經(jīng)可以說(shuō)是多到“不計(jì)其數(shù)”，據(jù)估計(jì)，銀河系約有100億顆白矮星。但是，黑矮星卻從未被觀測(cè)到，科學(xué)家們認(rèn)為這是因?yàn)閺陌装亲兊胶诎切枰獛装賰|年，已經(jīng)超過(guò)了現(xiàn)在估計(jì)的宇宙年齡。然而，對(duì)沒(méi)有觀測(cè)到的這類“假想”星體，人類畢竟知之甚少，尚需進(jìn)行更為深入的研究。
夜空中最亮的恒星是哪一顆？那是位于大犬座的天狼星。這顆星如此明亮，因此遠(yuǎn)在公元前人類對(duì)它就有所記載。天狼是中國(guó)人給它起的名字，西方文化中，它被稱為“犬星”?！叭焙汀袄恰北緛?lái)是屬于同類，雖然在不同文化中對(duì)這顆星的稱呼相似，但人們對(duì)其寄托的想象和征兆卻迥然不同。我們的祖先認(rèn)為這顆星帶著一股“殺氣”，象征侵略?！扒嘣埔沦獍啄奚眩e長(zhǎng)矢兮射天狼?！笔乔毒鸥琛分械木渥?；蘇軾的詩(shī)中也用“會(huì)挽雕弓如滿月，西北望，射天狼”來(lái)表白自己欲報(bào)國(guó)立功的信念【注2】。古羅馬人也認(rèn)為“犬星”主兇，造成災(zāi)難。而古埃及人卻把天狼星作為“尼羅河之星”加以崇拜。
天狼星因?yàn)樽盍裂郏缇捅蝗祟愑^測(cè)到，但直到1892年，人們才知道它并非“單身”，而是有一個(gè)時(shí)時(shí)不離的“伴侶”，因?yàn)橛^測(cè)者研究天狼星的運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)它總是在轉(zhuǎn)小圈圈。為什么轉(zhuǎn)圈？繞著誰(shuí)轉(zhuǎn)？依靠更強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家才認(rèn)識(shí)到天狼星原來(lái)是一對(duì)雙星，便稱它們?yōu)樘炖切茿和B。這個(gè)伴星B的質(zhì)量約為一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，但大小卻只與地球相當(dāng)。它的表面溫度也不低（25000K），但發(fā)出的光度卻只有天狼星A的萬(wàn)分之一，因而，它在亮麗的“女伴”旁邊，不容易被人發(fā)現(xiàn)。更多的研究表明，它離我們約8.5光年，是離地球最近的一顆白矮星。
光年是天文學(xué)中常用的距離單位，也就是說(shuō)用光旅行所用的時(shí)間來(lái)表示距離。比如說(shuō)，照在我們身上的太陽(yáng)光是太陽(yáng)在8分鐘之前發(fā)出來(lái)的，也就可以說(shuō)，太陽(yáng)離地球的距離是8“光分”。而光線從剛才提到的天狼星B，傳播到地球上則需要8.5年。
后來(lái)，難以計(jì)數(shù)的白矮星被發(fā)現(xiàn)。2014年4月，在距離地球約900光年的水瓶座方向，發(fā)現(xiàn)一顆已有110億年壽命的“鉆石星球”，它是迄今為止發(fā)現(xiàn)的溫度最低、亮度最暗的白矮星。這塊與地球差不多大小的大鉆石盡管價(jià)值連城，但人類卻承受不起，太重了，還是離它遠(yuǎn)一點(diǎn)為妙。
根據(jù)目前的恒星演化模型，太陽(yáng)耄耋之年的樣子，大概就類似于天狼星B，或新近發(fā)現(xiàn)的這顆鉆石星。也許最后，它們將從白矮星緩慢地演化成黑矮星，但永遠(yuǎn)不會(huì)變成黑洞。這是什么原因？怎么樣的恒星最后才將塌縮而成為黑洞呢？根據(jù)天體物理學(xué)家們研究的結(jié)論，恒星的最后歸宿是由其質(zhì)量決定的，質(zhì)量小于某個(gè)極限值的恒星，永遠(yuǎn)也成不了黑洞，這第一個(gè)極限值就是“錢德拉塞卡極限”。
在恒星演化中起著重要作用的是所謂“引力塌縮”。一個(gè)星體能夠在一段時(shí)期內(nèi)穩(wěn)定地存在，一定是有某種“力”來(lái)抗衡引力。像太陽(yáng)這種發(fā)光階段的恒星，是因?yàn)楹司圩兎磻?yīng)產(chǎn)生的向外的輻射壓強(qiáng)抗衡了引力。但到了白矮星階段，核聚變反應(yīng)停止了，輻射大大減弱，那又是什么力量來(lái)平衡引力呢？
二十世紀(jì)初發(fā)展的量子力學(xué)對(duì)此給出了一個(gè)合理的解釋。根據(jù)量子力學(xué)，基本粒子可以被分為玻色子和費(fèi)米子兩大類，它們的典型代表分別是光子和電子。它們的微觀性質(zhì)中最重要的區(qū)別是：電子這樣的費(fèi)米子遵循泡利不相容原理而玻色子不遵守【注3】。這個(gè)原理的意思是說(shuō)，不可能有兩個(gè)費(fèi)米子處于完全相同的微觀狀態(tài)。打個(gè)比方說(shuō)，許多光子可以以同樣的狀態(tài)“群居”在一起，但電子則要堅(jiān)持它們只能“獨(dú)居”的個(gè)性。當(dāng)大量電子在一起的時(shí)候，這種獨(dú)居個(gè)性類似于它們?cè)诮y(tǒng)計(jì)意義上互相排斥，因而，便產(chǎn)生一種能抗衡引力的“電子簡(jiǎn)并壓”，見圖2。
?圖2：白矮星中的電子簡(jiǎn)并壓
電子簡(jiǎn)并壓及費(fèi)米子獨(dú)居的特性可用一個(gè)不太準(zhǔn)確卻通俗的比喻來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明：一群要求獨(dú)居的人入住到一家不太大的旅店中，每個(gè)人都需要一個(gè)單獨(dú)的房間，如果旅館的房間數(shù)少于入住的人數(shù)，一定會(huì)給旅店管理人造成巨大的“壓力”吧。
白矮星主要由碳構(gòu)成，作為氫合成反應(yīng)的結(jié)果，外部覆蓋一層氫氣與氦氣。一般來(lái)說(shuō)，白矮星中心溫度高達(dá)一千萬(wàn)度，如此高溫下，原子只能以電離形態(tài)存在。也就是說(shuō)，白矮星可以看成是緊密聚集在一起的離子以及游離在外的電子構(gòu)成，就像是一堆密集的原子核，浸泡在電子“氣”中，如圖2b所示。原子核提供了白矮星的大質(zhì)量和高密度，游離電子氣則因?yàn)樽裱堇幌嗳菰矶a(chǎn)生了抗衡引力塌縮的“電子簡(jiǎn)并壓”。
錢德拉塞卡（Chandrasekhar，1910年－1995年）是一位印度裔物理學(xué)家和天體物理學(xué)家。他出生于印度，大學(xué)時(shí)代就迷上了天文學(xué)和白矮星。1930年，錢德拉塞卡大學(xué)畢業(yè)，從印度前往英國(guó)準(zhǔn)備跟隨當(dāng)時(shí)極富盛名的亞瑟·愛丁頓（SirArthur Eddington，1882年－1944年）作研究。他在旅途中根據(jù)量子統(tǒng)計(jì)規(guī)律計(jì)算與白矮星質(zhì)量有關(guān)的問(wèn)題，得到一個(gè)非常重要的結(jié)論：白矮星的穩(wěn)定性有一個(gè)質(zhì)量極限，大約是1.4倍的太陽(yáng)質(zhì)量。當(dāng)恒星的質(zhì)量大于這個(gè)極限值時(shí)，電子簡(jiǎn)并壓力便不能阻擋引力塌縮。那時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢？錢德拉塞卡暫時(shí)不知道結(jié)論，但恒星應(yīng)該會(huì)繼續(xù)塌縮下去。這個(gè)概念與理論相沖突，因?yàn)楫?dāng)時(shí)大家認(rèn)為，白矮星是穩(wěn)定的，是所有恒星的歸屬。
到了英國(guó)之后，錢德拉塞卡重新審核、仔細(xì)計(jì)算了這個(gè)問(wèn)題并將結(jié)果報(bào)告給艾丁頓，但卻沒(méi)有得到后者的支持。據(jù)說(shuō)艾丁頓在聽了錢德拉塞卡的講座后當(dāng)場(chǎng)上臺(tái)撕毀了講稿，并說(shuō)他是基礎(chǔ)錯(cuò)誤，一派胡言。恒星怎么可能一直塌縮呢？一定會(huì)有某種自然規(guī)律阻止恒星這種荒謬的行動(dòng)！艾丁頓的反對(duì)對(duì)于錢德拉塞卡是一個(gè)極大的打擊，使得錢德拉塞卡從此走上了一條孤獨(dú)的科學(xué)研究之路。不過(guò)，他的論文最終在一年多之后在美國(guó)的一份雜志上發(fā)表。多年之后，他的觀點(diǎn)被學(xué)術(shù)界承認(rèn)，這個(gè)白矮星的質(zhì)量上限后來(lái)以他命名，被稱為錢德拉塞卡極限。當(dāng)他73歲的時(shí)候，終于因他在20歲時(shí)的計(jì)算結(jié)果而獲得了1983年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
其實(shí)，錢德拉塞卡的計(jì)算并不難理解，從圖3可以說(shuō)明。
?圖3：使白矮星穩(wěn)定的錢德拉塞卡極限
圖3中畫出了電子簡(jiǎn)并能及引力勢(shì)能隨著恒星半徑r而變化的曲線。圖a、b、c分別表示恒星的質(zhì)量小于、等于、大于1.44太陽(yáng)質(zhì)量時(shí)的三種情況。電子簡(jiǎn)并能曲線不受恒星質(zhì)量的影響，在三種情形是相同的，引力勢(shì)能則不同，它與恒星質(zhì)量大小密切相關(guān)。引力勢(shì)能為負(fù)值表明是互相吸引，電子簡(jiǎn)并能的正值表示電子之間統(tǒng)計(jì)意義上的“排斥”。三個(gè)圖中均以紅色曲線描述總能量，它是由電子簡(jiǎn)并能和引力勢(shì)能相加而得到的。從圖a中可見，當(dāng)恒星的質(zhì)量小于錢德拉塞卡極限時(shí)，總能量在R處有一個(gè)最小值，能量越小的狀態(tài)越穩(wěn)定，說(shuō)明這時(shí)候恒星是一個(gè)半徑為R的穩(wěn)定的白矮星。而當(dāng)恒星的質(zhì)量等于或大于錢德拉塞卡極限時(shí)，半徑比較小時(shí)候的總能量曲線一直往下斜（從右向左看），沒(méi)有極小值，因?yàn)橄到y(tǒng)總是要取總能量最小的狀態(tài)，就將使得恒星的半徑越變?cè)叫《詈筅吔诹悖簿褪钦f(shuō)，產(chǎn)生了引力塌縮。這三種情形可以類比于每幅圖右上方所畫的小球在地面重力勢(shì)能曲線上滾動(dòng)的情況。只有在第一種情況下，小球才能平衡并達(dá)到靜止。
中子星
難怪艾丁頓對(duì)錢德拉塞卡的“繼續(xù)塌縮”會(huì)惴惴不安，他無(wú)法理解密度已經(jīng)如此之大的白矮星塌縮的結(jié)果會(huì)是什么？塌縮到哪里去呢？星體半徑怎么可能趨于0？物理上太不可思議了！艾丁頓不見得知道當(dāng)時(shí)還剛剛被發(fā)現(xiàn)的中子，他也遠(yuǎn)沒(méi)有蘇聯(lián)著名物理學(xué)家朗道（Lev Davidovich Landau，1908年－1968年）的敏感。據(jù)說(shuō)發(fā)現(xiàn)中子的消息傳到哥本哈根，量子力學(xué)創(chuàng)始人波爾（NielsHenrik David Bohr，1885年－1962年）召集討論，正好在那兒訪問(wèn)的朗道聽到后立即就發(fā)言，預(yù)言了中子星存在的可能性。他認(rèn)為如果恒星質(zhì)量超過(guò)錢德拉塞卡極限，也不會(huì)一直塌縮下去，因?yàn)殡娮訒?huì)被壓進(jìn)氦原子核中，質(zhì)子和電子將會(huì)因引力的作用結(jié)合在一起成為中子。中子和電子一樣，也是遵循泡利不相容原理的費(fèi)米子。因此，這些中子在一起產(chǎn)生的“中子簡(jiǎn)并壓”力，可以抗衡引力使得恒星成為密度比白矮星大得多的穩(wěn)定的中子星。
中子星的密度大到我們難以想象：每立方厘米重達(dá)一億噸到十億噸。
不過(guò)，恒星塌縮的故事還沒(méi)完！后來(lái)在二戰(zhàn)中成為與原子彈有關(guān)的“曼哈頓計(jì)劃”領(lǐng)導(dǎo)人的奧本海默，當(dāng)時(shí)也是一個(gè)雄心勃勃的年輕科學(xué)家。他想：白矮星質(zhì)量有一個(gè)錢德拉塞卡極限，中子星的質(zhì)量也應(yīng)該有極限啊。一計(jì)算，果然算出了一個(gè)奧本海默極限。不過(guò)當(dāng)時(shí)奧本海默計(jì)算結(jié)果不太正確，之后，奧本海默極限被人們矯正為大約2到3倍左右的太陽(yáng)質(zhì)量。
超過(guò)這個(gè)極限的恒星應(yīng)該繼續(xù)塌縮，結(jié)果是什么呢？基本粒子理論中已經(jīng)沒(méi)有更多的東西來(lái)解釋它，也許還可以說(shuō)它是顆“夸克星”？但大多數(shù)人認(rèn)為它就應(yīng)該是廣義相對(duì)論所預(yù)言的黑洞了。那么，史瓦西在1916年從理論上算出來(lái)的黑洞，看起來(lái)就是質(zhì)量大于3倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星的最后歸宿，它很有可能在宇宙空間中存在！這個(gè)結(jié)論令人振奮。
雖然科學(xué)家們?cè)?0年代就預(yù)言了中子星，甚至黑洞，但真正觀測(cè)到類似中子星的天體，卻是在三十多年之后。
發(fā)現(xiàn)中子星的過(guò)程頗富戲劇性，那是在1967年10月，一個(gè)似乎帶點(diǎn)偶然的事件。安東尼·休伊什（Antony Hewish，1924年— ）是一位英國(guó)射電天文學(xué)家，他設(shè)計(jì)了一套接收無(wú)線電波的設(shè)備，讓他一位女研究生喬瑟琳·貝爾·伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell， 1943— ）日夜觀察。貝爾在收到的信號(hào)中發(fā)現(xiàn)一些周期穩(wěn)定（1.337秒）的脈沖信號(hào)。這么有規(guī)律！難道是外星人發(fā)來(lái)的嗎？貝爾興致勃勃地向休伊什報(bào)告并繼續(xù)將收到的信號(hào)加以研究，兩人將這些信號(hào)稱為“小綠人”，意為來(lái)自外星人。但后來(lái)又發(fā)現(xiàn)這些脈沖沒(méi)有多少變化，不像攜帶著任何有用的信息。最后人們將這一類新天體稱為“脈沖星”，并且確認(rèn)它們就是30年前朗道預(yù)言的中子星，發(fā)出的脈沖是中子星快速旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。安東尼·休伊什也因此而榮獲1974年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但大多數(shù)人對(duì)貝爾未能獲獎(jiǎng)而憤憤不平。比如霍金在《時(shí)間簡(jiǎn)史》一書中，就只說(shuō)脈沖星是貝爾發(fā)現(xiàn)的，不提休伊什。
中子星雖然密度極大，大到難以想象的程度，但它畢竟仍然是一個(gè)由我們了解甚多的“中子”組成的。中子是科學(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里能夠檢測(cè)得到的東西，是一種大家熟知的基本粒子，在普通物質(zhì)的原子核中就存在。而黑洞是什么呢？就實(shí)在是難以捉摸了。也可以說(shuō)，恒星最后塌縮成了黑洞，才談得上是一個(gè)真正奇妙的“引力塌縮”。
如上所述，不同質(zhì)量的恒星可能走向不同的命運(yùn)，最后死亡的終點(diǎn)有所不同。太陽(yáng)經(jīng)過(guò)紅巨星階段之后，由于沒(méi)有足夠的質(zhì)量再次爆發(fā)成為超新星，最后的歸屬是變成白矮星再到黑矮星。而質(zhì)量大于三倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星在變成紅巨星后，將再爆發(fā)成為超新星，然后形成中子星和黑洞【注4】。
中子星和白矮星都是已經(jīng)被觀測(cè)證實(shí)在的“老年”恒星。天文學(xué)家們也觀測(cè)到很多黑洞，或黑洞的候選天體，將它們說(shuō)成是“候選”的，因?yàn)樗鼈兣c理論預(yù)言的黑洞畢竟有所差別。例如，離地球最近的孤立中子星位于小熊星座，被天文學(xué)家取名為“卡爾弗拉”（Calvera）。這種中子星沒(méi)有超新星爆發(fā)產(chǎn)生的殘余物，沒(méi)有繞其旋轉(zhuǎn)的星體，因?yàn)榘l(fā)出X射線而被發(fā)現(xiàn)。
除了白矮星和中子星，恒星的終結(jié)還有另一種可能——黑洞。然而黑洞帶給我們的困惑更是數(shù)不勝數(shù)，下一期，讓我們看看經(jīng)典物理理論下的黑洞是什么樣的？也歡迎各位大膽提出你們的問(wèn)題或者觀點(diǎn)~
本文首發(fā)于《太空聯(lián)盟》。
