宇宙舍利子

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

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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（Менделе́ев，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

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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。

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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”。

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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

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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。

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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。

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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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