第28章：旅行到时空边缘-消除差异的大同之星

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第28章大同之星消除了元素差异的这种星球，密度竟达1立方厘米1亿吨“小绿人”的呼唤1967年8月的一天，英国剑桥大学24岁的女博士研究生贝尔忽然发现，半夜时分，狐狸座方向传来了非常规则的射电信号—脉冲信号。如果把白矮星比作一个虽然很富裕但依然有贫富差别的小康社会的话，中子星就是一个实实在在的大同社会，一个基本消灭了元素差别的大同之星。

第28章　大同之星

消除了元素差异的这种星球，密度竟达1立方厘米1亿吨

“小绿人”的呼唤

1967年8月的一天，英国剑桥大学24岁的女博士研究生贝尔忽然发现，半夜时分，狐狸座方向传来了非常规则的射电信号—脉冲信号。这信号是谁发出的呢？当时英国正流行一本有关外星人的科幻小说，其中描写的外星人身材矮小，皮肤是绿色的—可以直接进行光合作用，这些小绿人科技发达，能够进行无线电通讯。狐狸座方向传来的规则射电信号，会不会和小绿人有关呢？贝尔和她的导师就把那个脉冲命名为小绿人1号，贝尔还幽默地写道：“我在这儿搞一项新技术来拿博士学位，可一帮傻乎乎的小绿人却选择了我的天线和我的频率来和我通信。”

贝尔发现的脉冲信号究竟是怎么回事呢？

1960年代的时候，射电天文学发展起来，天文学家们利用雷达技术接收天空中的射电波，尤其是一种看起来类似恒星的射电发射源—类星体，很快成为射电天文学研究的热门。英国剑桥大学的休依什设计了一个射电望远镜阵研究类星体，这个射电望远镜阵列占地面积30亩，看起来很简陋，就像一排排晾衣架，由2084个单元组成，摆成一个长方形矩阵。

由于经费限制，休伊什不得不在记录仪器部分节省，没有使用那时还极为昂贵的计算机，而是采用老式的纸带记录射电信号。这样，每天观测下来的纸带长达30米，分析处理资料的任务关键而且艰巨，这任务就落到了贝尔身上。

真是无心插柳柳成荫。休伊什的射电望远镜阵列1967年7月投入使用，到8月就有了发现，并不是原计划研究的类星体，而是令人奇怪的规则脉冲信号。这个射电讯号非常有规律，每隔1.337秒跳动一次。无疑，它来自一个会发射脉冲信号的星体—脉冲星，一种全新的奇异星球。

脉冲星的发现是一个重大事件，它为天文学打开了一个崭新领域。1974年，瑞典诺贝尔奖评审委员会把当年物理学奖授予休依什，研究生贝尔与诺奖无缘，包括霍伊尔在内的不少人提出了抗议，后来人们在提到脉冲星的发现时总忘不了她的功劳。

贝尔在大学期间喜欢上了天文，立志做一名天文学家。大学毕业她首先申请到英国著名的射电天文台焦德雷尔班克去工作，天文台的工作人员却把她的申请书弄丢了，贝尔只好改去剑桥大学攻读研究生。分析射电望远镜接收到的射电信号是非常枯燥乏味的工作，没有献身科学的精神和兢兢业业的态度是绝对不会成功的。事实上，在贝尔发现脉冲信号的同时，她原来申请想去的焦德雷尔班克天文台也接收到了这信号，可惜无人理会那些数据。

脉冲星的信号很独特，它们有两个明显的共同特点：

一是脉冲周期非常准确。就拿贝尔发现的第一颗脉冲星来说，周期是1.33730119227秒，准确到小数点后面11位，也就是千亿分之一秒。所有脉冲星周期都这样准确，有的甚至精确到百万亿分之一秒。

二是脉冲周期都很短，一般只有1秒左右，最长的也不过几秒。1968年11月9日，两位美国天文学家利用阿雷西博305米射电望远镜，对准金牛座金牛尖附近的蟹状星云，探测到蟹状星云里隐藏着一颗脉冲星，周期是0.03309756505419秒，即1秒钟变化30个周期。1982年9月，希纳·库卡尼利用阿雷西博305米射电望远镜，发现了一颗周期为1.56毫秒的脉冲星，1秒钟变化641个周期。

这些脉冲星信号，其实是来自快速旋转的中子星，它们是超新星爆发形成的一种极为特殊的星体。

中子星的形成

我们来回忆一下大质量恒星核聚变的最后时光。

大质量恒星的核聚变到铁为止，这时其核心温度达到40亿度，光子在这温度下能量极高，它们快速穿入铁原子核，使恒星花费数百万年一步步合成来的铁原子核瞬间碎裂回中子，恒星核心也瞬间变成了一个由中子组成的球。

中子核的温度高达千亿度，是太阳核心温度的6000倍以上，这么高的热量需要释放出来，星体才能稳定。恰好，生成中子的过程产生了大量中微子，它们凭借极强的穿透力迅速逃逸中子核，形成持续约10秒的中微子暴，带走了中子核大部分能量。紧接着超新星爆发，把外围的物质快速抛出，中子核显露出来—一颗小而致密的中子星。

在白矮星里，电子被压缩到极小的范围，它们以极高速运动产生的简并力抵御万有引力的强大压力。到了中子星，电子被彻底压进了原子核，一个个挨在一起的中子简并力量抗衡着万有引力。中子挨在一起的密度就是原子核的密度，它比白矮星的密度差不多大了一亿倍，每立方厘米重达上亿吨！一个比太阳还重的中子星，直径只有十来公里，这是宇宙中最小的一类恒星。

假如把一立方厘米的中子星物质拿到地球上，它的重量需要1万艘万吨轮船来承载。不过，这样一块中子星物质永远也到不了地球，因为维持中子星的超高密度需要极大压力—只有在中子星上才能存在中子星物质，只有在白矮星上才能存在白矮星物质。假如瞬间把一立方厘米的中子星物质转移到地球上，它将迅速爆炸开来，释放的能量相当于爆炸10亿颗氢原子弹，地球也就瞬间毁灭。

白矮星和中子星都是恒星演化出的奇异星体。白矮星虽然密度大，组成它的原子核还各自保留着原来的面貌，碳还是碳，氧还是氧，金还是金，银还是银，只是密度更大而已。到了中子星，组成星体的原子核已不复存在，都变成了没有差别的中子。如果把白矮星比作一个虽然很富裕但依然有贫富差别的小康社会的话，中子星就是一个实实在在的大同社会，一个基本消灭了元素差别的大同之星。

白矮星的概念刚出现的时候，它那每立方厘米一吨的密度就让人们感到荒唐不已，中子星这样玄之又玄的概念，在20世纪30年代出现的时候，天文界没有多少人信以为真。贝尔无意中接收到神秘“小绿人”的脉冲信号，最终证实了中子星的存在。

脉冲信号与中子星

凭什么断定这些脉冲信号来自中子星呢？

脉冲信号实质就是星光强度周期性变化，脉冲星的信号特点是周期极其稳定，脉冲频率很快。分析起来有三种情形可以导致星光强度周期变化：

第一，双星系统的绕转，如果一颗星周期性地遮挡另一颗星，它们的辐射就会呈现周期性变化。很明显，双星绕转的周期不可能达到几秒钟，所以脉冲信号不可能来自绕转的双星。

第二，星体自身脉动，恒星一会儿膨胀，一会儿收缩，从而导致其亮度周期性变化，比如造父变星。同样，星体脉动周期也不可能太快，最快也要几个小时。所以，脉冲信号不可能来自脉动变星。

第三，星体自转，如果星体表面亮度不均匀，比如某个地方更亮一些，星体自转就会导致其亮度呈现周期性变化。

天体都在旋转，但极快速的旋转可不是一般天体能做到的。比如地球，旋转一周近24小时，如果它几秒钟转一周，就会立即碎裂开来。一个星球旋转的速度越快，这个星球就必须越致密。在已知恒星中，白矮星算是极为致密的，每立方厘米重达1吨以上，即便如此，它的自转周期最快只能达1秒，短于1秒也要碎裂。蟹状星云里的脉冲星，1秒钟能够旋转33圈；一些毫秒级的脉冲星，一秒钟能够旋转好几百圈。

算来算去，只有更致密的中子星才能如此快速旋转，几十万倍于地球质量的中子星，直径只有十来公里，体积是地球的1/10亿，太致密了。基于此，天文学家们相信，脉冲星不是别的，就是快速旋转的中子星。

中子星为什么能够旋转那么快呢？

所有天体都在旋转，中子星的前身星也不例外。旋转的物体角动量要守恒，旋转物体的半径变小，转速就会加快，就像花样滑冰运动员在做旋转动作时，如果突然蜷缩起身体，转速就必然加快。恒星形成中子星，半径急剧压缩，自转速度必然相应加快，就有了极高的旋转速度。

灯塔模型与脉冲信号

一个快速旋转的中子星，辐射的信号为什么成了一个个的脉冲呢？天文学家们用灯塔模型来解释。我们知道，地球有一个自转轴，还有一个磁轴，它的自转轴和磁轴并不完全重合，中子星也有一个磁轴和自转轴，也不是重合的。

中子星有非常强大的磁场，它来自原来恒星的磁场，强度则随着星体缩小而增强了万亿倍。中子星在高速旋转时，能量集中从磁轴两极辐射出来，形成了两个射束，就像灯塔一样。中子星每旋转一圈，就会有一束辐射扫过太空。如果射束恰好扫过地球，地球上就可以接收到它的脉冲信号；如果射束角度不合适，扫不到地球上，地球人就接收不到它的脉冲信号了。

从天关客星到蟹状星云脉冲星

超新星爆发形成中子星，历史上有一个完整的观测链，可以确认这一点。

时间回溯到公元1054年7月4日，凌晨4点钟左右，金牛星座从东方升起，长长的牛角斜插向东北地平线，牛角尖是一颗叫天关的星。宋代的皇家天文学家惊讶地发现，天关星附近，出现了一颗明亮的新星，芒角四出，颜色白中泛红（上图）。

是太白金星升起来了吗？不会，这一段时间金星出现在傍晚的西方天空。司天监们对星空太熟悉了，这不是他们所知的任何一颗星，那是星空里新来的客人—客星。这是一个极其重大的天象，司天监们忠实地记载下来：

“至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”（《宋会要》）

客星最后从夜空里消失的日期是1056年4月6日，它在星空里出现了643天，宋代的天文官员们完全不明白宇宙太空里发生了什么样的事情。

1758年，法国天文学家梅西耶通过望远镜在金牛座的牛角尖（天关星）附近，发现了一个小小的云雾状白斑，他把这个星云记载下来，这就是M1。

1845年，英国天文学家罗斯伯爵花费10年艰辛劳动和3万英镑巨资，建成了一架口径1.8米的反射望远镜，并连续多年对M1进行观测，还给它取名“蟹状星云”。

1920年代，哈勃发现星空里的这只螃蟹正在长大。根据其膨胀速度可以推断出蟹状星云应该来自于900年前的一次超新星爆发—1054年天关客星。

蟹状星云的距离是6500光年，也就是说，超新星实际上爆发于7400多年前，那时的地球生命对这一震彻寰宇的恒星爆炸不会有任何觉察。超新星的光芒长途跋涉了6500光年的空间，这期间地球上经历了沧海桑田的变化，从原始的洪荒变成了清明上河的繁华，超新星的光芒才出现在宋代人的眼里。

天关客星爆发形成的中子星，1秒钟旋转30圈，发出周期为0.033097 56505419秒的脉冲信号，这信号虽然也在1054年到达地球，但地球人根本毫无察觉，直到1968年11月9日才首次被阿雷西博305米射电望远镜接收到。到了21世纪初，隐藏在星云中央的脉冲星的神秘魅影，最终在哈勃太空望远镜的视场里呈现出来。

2016年7月，NASA发布哈勃太空望远镜拍摄一张蟹状星云中心的照片，涟漪的中央就是那颗每秒旋转30圈的中子星，那是蟹状星云急速跳动的心脏。在它的推动下，蟹状星云发出了10万倍于太阳的辐射（下页图）。

从1054年天关客星到蟹状星云，再到它中央的脉冲星，超新星爆发及其结局有了一个完美的样品，大质量恒星的演化图景，清晰而可信。

中子星是靠中子一个个挨在一起的简并力量与强大的万有引力抗衡，形成了不可思议的极大密度。如果中子继续增大质量，中子的简并力量也难以支撑星体重量，万有引力将成为最终的胜利者，中子星将会在瞬间坍缩，形成一个更为神奇的天体—黑洞。

第28章：旅行到时空边缘-消除差异的大同之星

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