_相对论_宇宙与时空_连载_恒星演化的归宿_白矮星_中子星和(精)

第 28卷第 6期大学物理 Vol . 28No . 62009年 6月 COLLEGE PHYSI CS June 2009《相对论、宇宙与时空》连载《相对论、宇宙与时空》连载⑥———恒星演化的归宿 (白矮星、中子星和黑洞赵峥(北京师范大学物理系 , 北京 1008751赫罗图指向天空的望远镜发现 , 千亿计的恒星各式各样 , 它们不仅光度不同 , 颜色也各异 , 真是千姿百态、绚丽多彩 . 这里的光度 , 是指恒星的绝对光度 . 绝对光度反映 , 之后 , 恒星的真实亮度 , 释放出的光能 . . 恒星的颜色 , . (. Hertzs p rung 和美国天文学家罗素 (Russell 各自独立给出了一张表示恒星光度和表面温度的关系图 , 称为赫罗图 (图 1 . 注意 , 赫罗图反映的不是恒星在天空中的位置分布 , 而是它们的光度和温度之间的关系 . 由于温度是由光的颜色反映出来的 , 他们给每一个温度范围定义了一个光谱型 , 从高温的蓝星到低温的红星 , 依次分为 O 、 B 、 A 、 F 、G 、 K 和 M 共 7个光谱型 . 我们的太阳属于黄色的 G 型 , 表面温度约 6000K[1— 5].图 1赫罗图光谱型的名字很难记 , 有人编了一个小故事 :一个年轻的天文学家初次用天文望远镜看星空 , 那五颜六色的天体让他大为惊讶 , 不禁大喊道:“ Oh, be afine girl, kiss me ! ”(哦 , 真像一位仙女 , 吻我吧 ! . 这句话的每个单词的第一个字母 , . , . , (红矮 . , 是黄色的恒星 , . 主星序的右上方有低温而巨大的红巨星 , 左下方有小而高温的白矮星 , 它们属于恒星演化的不同阶段 . 星际物质在万有引力作用下塌缩变热 , 点燃热核反应 , 成为主序星 , 在这里度过它们 99%的寿命 . 当恒星内部的氢合成氦的反应结束时 , 恒星离开主星序 , 膨胀成红巨星 . 然后再演变成白矮星 . 下面 , 我们将详细地介绍这一演化过程 .2恒星的演化不同大小和颜色的恒星 , 实际上处于恒星演化的不同阶段[1— 5]. 宇宙诞生的初期 , 到处均匀分布着主要由氢和氦组成的气体 , 在万有引力的作用下气体聚集成团 , 形成星体 . 聚集过程中它们的引力势能转化为热能 , 使原本很冷 (温度约 100K 的物质温度升高 , 如果聚集成星体的气体物质很多 , 多到相当于太阳质量 (1. 99×1033g 或大于太阳质量 , 引力势能转化成的大量热能可使星体内部温度升高到 107K , 从而点燃星体中氢的聚变反应 . 这时 , 一颗发光发热的恒星就诞生了 . 恒星中氢聚变生成氦的热核反应 , 可以维持几十到几百亿年 , 这时 , 恒星处在一个长期稳定的阶段 , 这个时期约占恒星寿命的 99%. 这样的恒星在赫罗图中位于从左上方到右下方的主星序 , 称为主序星 . 恒星在主星序上的位置由它的质量决定 . 主星序左上方的星质量较大 , 最大可到 100M ⊙ (M ⊙为太阳质量 . 右下方的星质量较小 , 最小不低于 0. 1M ⊙ . 小于 0. 1M ⊙的星体 , 点燃不了氢的聚变反应 . 处于主序星阶段的恒星 , 在主星序上的位置基本不移58大学物理第 28卷动 , 直至氢的聚变反应结束 , 恒星离开主星序为止 . 我们的太阳就是这样一颗主序星 , 它的中心温度高达115×107K , 压强达到 3000亿个大气压 , 那里正进行着猛烈的热核反应 . 太阳在主序星阶段的寿命约为 100亿年 , 现在已经在主序星阶段燃烧了 50亿年 , 目前正处在它的中年时期 .恒星的存在 , 一方面依赖于万有引力把物质聚集在一起 , 不致于漫天飞扬 , 另一方面则靠热核反应产生的热量 , 造成粒子迅速运动 , 产生排斥效应 , 使物质不致于收缩到一点 . 正是万有引力的吸引作用与热排斥作用这对矛盾的存在 , 保证了恒星的生存 .当恒星中心部分的氢全部燃烧掉之后 , 恒星中部的热核反应就停止了 , 这时万有引力战胜了热排斥 , 星体开始收缩 . 由于恒星表面的温度远低于中心部分(例如太阳中心部分温度为 115×107K , 而表面温度只有 6000K , 那里还不曾发生过氢合成氦的热核反应 . 这时 , 随着星体的塌缩 , 高 , 那里的氢开始燃烧 , , 8, , 氦聚合成碳 , 再合成氧 , 这些热核反应短暂而猛烈 , 像爆炸一样 , 称为“ 氦闪” . 这种过程大约经历 100万年 , 在整个天体演化中 , 这是一个很短的“ 瞬间” . 此后几亿年中 , 恒星进入一个短暂的平稳期 . 当中心部分的氦逐渐燃烧完之后 , 外层氢的燃烧不断向更外部扩展 , 星体膨胀得越来越大 , 膨胀到原来的 10亿倍 . 由于外壳离高温的中心越来越远 , 恒星表面的温度逐渐降低 , 从黄色变成红色 . 由于体积巨大 , 这种红色巨星看来很明亮 . 著名的参宿四 (猎户座α, 星座中最亮的星编号为α, 其余依次为β, γ, … 、毕宿五 (金牛座图 2红巨星心宿二与太阳系大小的比较α 、大角 (牧夫座α 和心宿二 (天蝎座α 都是这样的红巨星 (图 2 . 主序星演化成红巨星的过程 , 就是它在赫罗图中的位置离开主星序的过程 . 红巨星位于赫罗图中主星序的右上方 . 50亿年后 , 我们的太阳也将由主序星演化成这样的红巨星 , 膨胀的太阳将逐步燃烧吞食掉水星、金星和地球 . 地球的轨道将被包在红巨星之内 , 海洋将全部沸腾蒸干 , 地球的残骸将继续在红巨星内部公转 , 红巨星外层气体灼热而稀薄 , 比我们实验室中所能得到的最好的真空还要空 , 所以地球仍能存在 , 并继续转动 . 当然 , 生命已不可能在地球上生存 .不过 , 50亿年后的人类 , 已经有极为发达的文明 . 回想一下 , 从自然科学诞生的哥白尼时代到现在 , 才经过了 500年 , 人类已经能够登月 , 50亿年后的人类将具有怎样的科技水平就不难想象了 . 那时的人类 , 肯定有能力迁移到其他星球去生存 . 银河系内有 1000亿 ~2000亿个太阳 , (既有一个太阳的太阳系 , , 三 , . 从现 , , 其 , 可能更有利于生物的生存 . 总之 , 银河系中肯定有大量适合人类生存的星球 , 未来的人类一定会有能力 , 迁移到新的星球上去生存 . 如果舍不得我们的故乡地球 , 也有可能把地球一起迁移到其他合适的太阳系去 . 例如可以设想在地球上造个巨大的喷嘴 , 像驾驶火箭一样驾驶地球 , 留下几个驾驶小组的人值班 , 其余的人则可用先进的冷冻技术冬眠 , 到达目的地后再从冬眠状态下复苏过来 .核能源进一步枯竭之后 , 红巨星将抛出一些气体 , 形成“ 行星状星云” . 一般来说 , 恒星在望远镜中看是一个点 , 而行星离地球近 , 在望远镜中呈现为一个圆面 . 所谓“ 行星状星云” , 实际上是恒星周围的云状物质 , 在地球上用望远镜看 , 像行星一样是一个小圆面 , 其实与行星毫无关系 . 这个阶段 , 红巨星的中心部分将塌缩 , 形成小而高密、高温的白矮星 . 白矮星温度高 , 呈白色 ; 体积小 , 因而亮度小 . 它位于赫罗图主星序的左下方 . 随着热核反应的逐渐停止 , 白矮星将逐渐冷却成为黑矮星 , 黑矮星由碳和氧两种元素构成 , 是一种比钻石还要硬的星体 . 白矮星冷却成黑矮星的过程十分缓慢 , 可能需要 100亿年左右 (图 3 .图 3恒星的演化第 6期赵峥 :《相对论、宇宙与时空》连载⑥ 59白矮星的主要化学成分是高密度的碳和氧 . 那么宇宙中硅、镁、硫、铁等元素来自何方呢 ? 它们来自超大质量恒星的演化 . 如果一颗恒星 , 在中心部分氢-氦热核反应终止 , 开始从主序星向红巨星演变时 , 还保有 8M ⊙以上的质量 , 那么 , 它们会发生更深层次的热核反应 . 这种超大质量恒星的内部 , 在塌缩时巨大的引力势能可把那里的温度加热到 6×108K 以上 , 使碳发生聚合反应生成氖和镁 , 这时温度进一步升到 109K , 氖与氦又合成镁 . 此反应导致温度再升到 115×109K 以上 , 氧开始燃烧合成硫、硅等元素 . 然后 , 温度进一步升到 3×109K 以上 , 硅开始燃烧 , 并引发成百上千种核反应 , 最终生成铁 . 这些重元素合成的时间很短 , 例如对于 25M ⊙质量的恒星 , 碳可燃烧 600年 , 氖燃烧 1年 , 氧燃烧 6个月 , 而硅只燃烧 1天就烧光了 . 这时恒星的最中心部分由新生成的铁组成 , 往外依次是硅硫、氧镁、氖氧、碳氧、 . 部分构成恒星的内核 . -中不断膨胀 , 超红巨星 . , 的右上方 . , 那么连冥王星轨道都将被其吞没 .恒星内核逐渐降温 , 在巨大的万有引力下继续塌缩 , 最终形成位于赫罗图左下方的中子星 . 在中子星生成过程中 , 猛烈的大爆炸把部分重元素抛向太空 , 成为星际物质 . 这些星际物质在适当的情况下可以形成新的恒星、行星 , 或被其他恒星俘获 , 聚集成行星 . 这就是行星中重元素的来源 .图 4主序星、红巨星、白矮星、中子星与黑洞大小的比较白矮星与中子星是高质量密度的恒星 . 在赫罗图中 , 它们是恒星演化的归宿 . 主序星中心部分的核燃料氢耗尽之后 , 先膨胀成红巨星 , 再塌缩成白矮星 . 质量超过 8M ⊙的主序星 , 则先膨胀成超红巨星 , 再塌缩成中子星或黑洞 , 并在塌缩过程中引起超新星爆发 (图 3、图 4 .3白矮星人类确认的第一颗白矮星是天狼星的伴星 (天狼 B 星[1— 4]. 天狼星的希腊名字为大犬座α星. “ 天狼”是中国人起的名字 . 它是除太阳外 , 肉眼看来最亮的一颗恒星 . 天狼星之所以看起来很亮 , 是因为它离我们比较近的缘故 . 冬天的黄昏之后 , 它出现在东南方的天空 . 天狼星的左下方 , 有中国古人称为“弧矢” 的一组星 . 在中国古代 , . 古人用弧矢射天狼来表示抗击侵略 (图 5弧矢射天狼屈原曾在诗中写道:“ 举长矢兮射天狼 , 操余弧兮反沦降. ” 宋朝诗人苏东坡也在一首词中写道:“ 会挽雕弓如满月 , 西北望 , 射天狼” . 但是天狼星从来不出现在天空的西北方向 . 苏东坡这样写 , 一方面是因为天狼星在弧矢的西北方向 , 另一方面是因为北宋时 , 侵略力量主要来自西北方的西夏 .恒星 , 顾名思义在天空中是不动的 . 也就是说 , 在地球上的人看来 , 恒星之间的相对位量是不变的 , 这是由于它们离我们太远的缘故 . 太阳是离我们最近的恒星 , 光走 8m in 可以到达地球 . 其他恒星就远多了 , 离太阳最近的比邻星 (属于中国人所说的“ 南门二” , 希腊名字叫半人马座α, 这是一组由 3颗恒星组成的“ 三合星” , 3个“ 太阳” 围绕它们的共同重心旋转 . A 、 B 两星相互距离较近 , C 星即比邻星 , 离我们最近 . 光到达地球要走 4年多 . 也就是说 , 它们距离我们 4个多 l . y . (l . y . 为光年 , 光走 1年的距离 . 牛郎星距离我们 16l . y . , 织女星则有 27l . y . , 它们二者相距也差不多 16l . y . 因为恒星离我们非常遥远 , 它们之间也相距十分遥远 , 所以肉眼一般很难看出恒星之间相对位置的变化 . 只有离地球最近的一些恒星 , 我们才60大学物理第 28卷能察觉这种变化 [3, 6].1834年 , 人们发现距我们约 9l . y . 的天狼星在天空的位置有周期性变化 , 推测它可能有一颗质量不小的伴星 . 天狼星位置的周期性变化 , 正是天狼与其伴星绕着它们的共同重心旋转的表现 (图 6 . 28年后 , 发现了这颗伴星 , 质量与太阳差不多 , 但体积只有地球那么大 . 由于体积太小 , 虽然表面温度高达 2×104K , 发出很强的白光 , 仍很难发现它 . 因为它又白又小 , 所以称其为白矮星 . 当时最让人惊讶的是它的密度 , 约为 2. 5t /c m 3, 这是地球上的任何物质都远远比不上的.图 6天狼星与其伴星研究表明 , 白矮星不是一颗普通物质形态的星 . 它既不像一般恒星那样 , 靠热效应产生的排斥来对抗自身的万有引力 , 也不像行星、卫星那样靠晶格间(或分子间、原子间的电磁力来抗衡万有引力 , 而是靠泡利不相容原理产生的电子简并压强来抵抗引力[1— 4, 7, 8].红巨星的内部物质在氢聚合成氦的热核能耗尽时塌缩 , 此塌缩过程迅速而猛烈 , 相当于恒星寿命的一瞬间 (约 100万年 , 称为“ 氦闪” . 在氦闪过程中 , 氦聚变生成碳和氧 , 这时原子间的电磁力顶不住自身万有引力的猛烈挤压 , 原子的电子壳层被压碎 , 形成电子在晶格中自由穿行 , 或者说原子核构成的晶格框架漂浮在电子海洋中的状态 . 在这种电子海洋 (或电子气中 , 电子的状态由能量、动量和自旋决定 . 由于量子化 , 能级、动量值和自旋值都是离散的 , 都只有有限个 . 当物质压紧时 , 由于体积缩小 , 上述量子态将被电子挤满 . 泡利不相容原理不允许两个电子处在同一个状态 , 正如一个萝卜一个坑 , 同一个坑里不允许有两个萝卜存在一样 . 如果硬要在同一个坑里放两个萝卜 , 它们就会互相排挤 . 同样 , 相互靠近的电子将产生一种新的排斥力 (这种新的“ 泡利斥力” 不是同种电荷产生的那种斥力 , 只有满足泡利不相容原理的费米子之间才存在这种力 , 也称费米压强 , 阻止体积进一步缩小 . 这种力顶住了万有引力 , 使得星体不再塌缩 , 这就是白矮星状态 .太阳的半径为 7×105km , 太阳质量的白矮星半径只有 104km . 研究表明 , 宇宙间存在大量白矮星 , 大约占恒星总数的 1/10. 这就是说 , 在银河系的 1000亿颗恒星中 , 有大约 100亿颗是白矮星 . 它们的密度一般在 0.1~100t /c m 3之间 . 白矮星像一块炽热的金刚石 (主要成分是碳和氧 , 内部温度可高达 108K . 随着内部核反应的逐渐停止 , 白矮星会慢慢冷却 , 最终形成一块不发光的、比钻石还硬的晶体———黑矮星 . 黑矮星就像一块巨大的金刚石一样 , 在宇宙空间游荡 . 不过 , , 这是因为 , 与宇宙的 , , .、白矮星在银河系中数量很多的人 , 是英国天体物理学家爱丁顿 . 最早认识到电子之间的泡利斥力可以抗拒恒星引力塌缩的人是英国物理学家狄拉克 . 而第一个建立起白矮星结构理论的人 , 则是印度青年物理学家钱德拉塞卡 .1930年 , 在一艘从印度开往英国的轮船上 , 一位 20岁的印度青年一会儿冥思苦想 , 一会儿埋头计算 .他就是钱德拉塞卡 , 大学毕业后打算去投奔著名的爱丁顿教授 , 攻读天体物理 . 此时他正在钻研白矮星的结构 . 他把相对论、量子论与统计物理结合到一起考虑 , 认为泡利不相容原理所产生的电子之间的排斥力有一个限度 . 这种排斥力可以抵挡住质量小于 1. 4M ⊙的恒星的重力 , 但抵挡不住质量更大的恒星的重力 . 也就是说 , 质量小于 1. 4M ⊙的恒星在冷却的时候 , 有可能靠这种力抵挡住自身的万有引力 , 不再进一步塌缩 , 而形成原子核构成的晶格框架在电子海洋中漂浮的状态 . 白矮星上的物质就处于这种状态 . 但是 , 如果恒星质量大于 1. 4M ⊙ , 万有引力将迫使电子更加靠近 , 这时电子间泡利斥力会增大 , 但电子速度也会增大 , 当电子速度接近光速时 , 会形成“ 相对论性电子气” , 这时泡利斥力会突然减弱 . 这种力将抗不住恒星的自身引力 , 恒星将进一步塌缩下去 . 他认为 , 1. 4M ⊙是一个界限 . 不存在大于这个质量的白矮星 .当轮船靠岸时 , 他已经得出了重要的结果 . 钱德拉塞卡非常兴奋 , 准备把自己的研究结果作为见面礼 , 送给爱丁顿教授 . 钱德拉塞卡满心以为爱丁顿教第 6期赵峥 :《相对论、宇宙与时空》连载⑥ 61授会夸奖他 . 然而 , 爱丁顿听完他的讲述后非常冷淡 , 认为他的结论不对 . 钱德拉塞卡是个忠厚而彬彬有礼的青年 , 他没有与教授争吵 , 而是进一步推敲自己的工作 . 以后钱德拉塞卡曾多次向爱丁顿陈述自己的观点 , 均被爱丁顿否定 .有一天 , 爱丁顿告诉 24岁的钱德拉塞卡 , 为他争取到一个在重要学术会议上报告其工作的机会 , 而且运用自己的影响为钱德拉塞卡争得比别人更长的报告时间 . 使他能够更充分地阐述自己的观点 . 在开会之前 , 他又告诉钱德拉塞卡 , 他也要在这个会议上作报告 , 而且题目与钱德拉塞卡相同 , 都是关于星体塌缩与白矮星形成的 . 钱德拉塞卡立刻担心起来 , 怕爱丁顿抢夺他的研究成果 . 然而 , 结果却与他预料的完全相反 . 当钱德拉塞卡报告完自己的工作的时候 , 爱丁顿当面撕掉钱德拉塞卡的论文 , 说他是一派胡言 . 爱丁顿的理由很简单 :重力 , 星体将无限坍缩 , . . 爱 , , 态度强硬 . , 由于爱丁顿的崇高学术威望 , 大家都认为他在学术上闹了大笑话 . 然而泡利肯定了钱德拉塞卡的工作 . 当钱德拉塞卡向泡利征求意见 , 并告诉泡利 , 爱丁顿教授认为他的这一工作违反泡利不相容原理的时候 , 泡利笑了起来 , 说 :你的这件工作也许违背了爱丁顿不相容原理 , 但没有违背我的不相容原理 .钱德拉塞卡的理论终于得到了公认 , 他所指出的白矮星的质量上限 , 被称为钱德拉塞卡极限 [1— 4, 7, 8]:钱德拉塞卡极限 =1. 4M⊙(1 目前 , 钱德拉塞卡极限是任何天文工作者都知道的一个极限 . 1983年 , 73岁的钱德拉塞卡 , 由于研究白矮星和其他方面的杰出贡献获得了诺贝尔物理学奖 . 钱德拉塞卡 24岁做出重大成就 , 73岁才获奖 . 人们开玩笑说 , 要想得到诺贝尔奖金 , 不仅要作出杰出的贡献 , 还要活得足够长久 , 要活到评上奖的那一天 . 诺贝尔奖是不发给已死去的人的 .4脉冲星和超新星爆发质量超过钱德拉塞卡极限的星体 , 电子将被压入原子核中 , 与其中的质子合併成中子 , 成为中子星 [1— 4, 7— 9]. 中子星与白矮星有些类似 , 它不是靠热排斥或电磁作用来抗衡引力 , 而是靠中子间的简并压强 (泡利斥力来抗衡 . 早在发现中子的 1932年 , 就有人预言了中子星的存在 , 然而发现中子星则是 30多年之后的事 .1967年的夏天 , 剑桥大学的休伊什 (A. He wish 教授用自己设计的仪器进行巡天观测 , 搜寻来自宇宙间的电磁波 . 他的主要助手是女研究生贝尔 (J. Bell . 一天晚上 , 贝尔发现一个奇怪的电波源 , 其发射的短脉冲是严格周期性的 . 贝尔立刻打电话告诉了自己的老师 . 休伊什来到观测室与贝尔仔细探讨 , 然后嘱咐贝尔严格保密不要外传 . 经过半年的反复验证、推敲 , 他们终于在 1968年 2月于英国的《自然》杂志 (Nature 上公布了这一惊人的发现 . 然而只公布了观测结果 , 而没有公布脉冲源在天空的方位 . 他们 , 因而取了个代号叫“ 小绿人” .“ , ., 同行们纷纷来 , 急于参加进来共同研究 . 但休伊什迟迟不予公布 . 最后在同行们的愤怒压力下 , 休伊什终于公布了几个脉冲源的位置 . 不久人们就认识到 , 这些脉冲根本不负载任何信息 , 因而不可能是什么外星人的联络信号 , 而是一种未知星体发射来的电磁波 . 人们把这种星叫做脉冲星 . 进一步的研究表明 , 脉冲星就是中子星 .休伊什与贝尔共同发现脉冲星 , 对天体物理学做出了重大贡献 . 1974年 , 诺贝尔奖评委会抛开贝尔 , 单独把诺贝尔物理学奖授予了休伊什 . 对此事 , 国际天文界议论纷纷 , 许多人为贝尔鸣不平 . 霍金就在自己的《时间简史》 (插图本中称贝尔首先发现了脉冲星 , 并且只刊登了贝尔一个人的相片 (图 7.图 7中子星的发现者———休伊什、贝尔与他们使用的天线阵1968年秋 , 在蟹状星云和船帆座中几乎同时发现了脉冲星 [9]. 这两颗脉冲星都位于以前出现过超新星的位置上 . 这是一个重要发现 , 它表明脉冲星62 大学物理第 28 卷 (中子星是由超新星爆发而形成的 . 超新星是恒星演化晚期发生的一种大爆炸现象 ,爆炸规模相当于几百亿亿亿颗百万吨级的氢弹 ! 一天里放出的能量相当于太阳在数十万年间放出的总能量 . 这时 , 星的亮度会增加上亿倍 ,使人们觉得天空中突然出现了一颗亮星 (图 8 . 但存在时间不会太长 , 肉眼所见一般不过几年 ,最亮的时间不过几天到几十天 . 在公元 1054 年左右由小星开始膨胀的 . 也就是说 ,蟹状星云正是 1054 年超新星爆发喷出的物质 , 星云中心的那颗小暗星 ,应该是当年超新星爆发后剩下的残余星体 (图 10、 11 . 1968 年秋 ,人们发现蟹状星云图中的这颗小星也是一颗脉冲星 . 于是人们认识到 , 脉冲星 (中子星是由超新星爆发而形成的 . 图 8超新星爆发我国的史书记载 , 公元1054 年在金牛座出现过超新星 ,日本、、朝鲜越南的史书也有这次超新星爆发的记录 ,但以我国的记录最为详细 (图 9 . 而且只有我国记录了这颗超新星在天空的位置 ,这对后来认识超新星与蟹状星云、中子星的关系至关重要 [9 ] 图 10 蟹状星云 . 我国古代称超新星为客星 . 记录说 , 宋仁宗“ 至和元年五月 ,客星晨出东方 ,守天关 . 昼见如太白 ,芒角四出 ,色赤白 ,凡见二十三日”有二十三天能在白天看见 , 像 . 金星一样明亮 . 此后白天看不见了 ,但有二年多时间 , 夜晚仍然能看见 . 可见 ,这次超新星爆发之猛烈 ,发生地点离我们太阳系之近 . 特别令人感兴趣的是 , 望远镜出现之后 , 在我国古代天文学家记录的客星位置上 ,人们观察到一个螃蟹状的星云 , 星云由气体和尘埃组成 ,它在不断地膨胀 , 其膨胀速度达每秒 1 100 多公里 . 从观测到的膨胀速度 , 可以计算出此星云是图 11 蟹状星云在星空的位置我国古代的天文记录十分丰富 .《后汉书・天文志》中还记载 ,公元 185 年,“ 南门” 中有客星出现 . 近代天文观测发现 ,在那个位置上也有一颗小暗星 . 南京大学天文系的陆琰教授预言此星是γ射线脉冲星 , 后来被观测所证实 . 一般脉冲星只发射无线电波 , 不发射γ射线 . 发射γ射线的脉冲星十分稀少 , 至今只发现了 7 颗 . 中子星具体怎样形成呢 ? 如前所述 , 超过 8 M ⊙的主序量在演变成超红巨星之后 ,中心部分核反应温 9 度可升高到 3 × K, 生成以铁为中心的核 , 外层则 10 仍在进行氢转化为氦的热核反应 . 图 9中国古代的超新星记录第 6期 :《赵峥相对论、宇宙与时空》连载⑥ 5 3 63 生成的铁核越来越大 , 仅靠原子间的电子斥力已不能支撑它自身的重量 . 这时 , 铁核将进入白矮星状态 , 电子的泡利斥力将起来抗衡万有引力 . 当铁核质量超过 1. 4 M ⊙的钱德拉塞卡极限时 ,铁核突然塌缩 , 在 0. 1 s内温度猛增到 5 × K, 电子与质子中和成 10 中子 , 在超红巨星的中心形成一个主要由中子构成的超大原子核 , 这是一种中子态的物质 , 靠泡利不相容原理产生的简并中子压强来支撑自己 . 在星体的中心形成中子态物质的同时 , 非中子化的外层开始塌缩 , 砸在核心的中子态物质上 , 并发生猛烈的反弹 , 形成超强冲击波 , 把超红巨星的外层包括核的外层全部炸掉 , 抛入太空 . 这就是超新星爆发 , 它在 1 天内发出的光相当于主序量 (例如今天的太阳 1 亿年发出的光 . 它喷出的物质 , 包括许多重元素 , 成为形成新的恒星和行星的原材料 . 包括我们地球在内的众多行星中的重元素 , 都来自超新星爆发 . 超新星爆发现象是比较稀少的 , 一般说来 , 一个星系 (一个银河系 100 年内大约能产生 4 颗超新星 . 如上所述 , 中国有着世界上最早的超新星记载资料 . 根据我国古代的观测记录 , 再结合现在的天文观测 , 可以证实超新星爆发后 , 会有气体尘埃形成的云雾向四面八方喷出 , 而爆发之后剩下的星体核心部分 , 将形成中子星 (或黑洞 . 9 从上到下逐渐增加 , 约 1 ～4 × t/ cm , 上层类似于 10 白矮星物质 (图 12 . 图 12 中子星的内部结构由于巨大的万有引力 ,中子星表面不可能形成高的山峰 . 它的表面平坦 ,最高峰也只有几厘米高 . 表面 7 温度约 10 K左右 . 许多中子星会发射出周期极短(约 1 s 的射电脉冲 , 这种脉冲正是休伊什和贝尔在 1967 年发现的那种 . 研究表明 , 这种脉冲来自中子星的磁轴方向 , 那里好像一个窗口 ,从里面射出各种波长的电磁脉冲 . 这是由于恒星塌缩成中子星时体积极大地缩小 , 但磁场依然保留 , 所以 , 中子星表面的磁场极强 , 强磁场使电子加速 , 并沿磁轴方向发射电磁波 (图 13 . 另外 , 恒星塌缩成中子星时 , 半径极大缩小 , 但角动量守恒 , 所以中子星旋转极快 . 中子星的磁轴与自转轴一般不重合 , 窗口射出的辐射就像探照灯的光柱一样在宇宙中扫描 , 每扫过一次地球 , 我们就收到一个脉冲 . 中子星自转极快 , 自转周期约 1 s, 所以我们收到的脉冲间隔是 1 s左右 . 研究表明 , 所有的脉冲星都中子星 , 但不是所有的中子星都能观测到脉冲辐射 . 中子星的密度远高于白矮星 . 太阳质量的中子星5中子星中子星的质量密度非常高 . 研究表明 , 它们主要 [ 1 —4, 7 —9 ] 由中子构成 . 中子星可以看作大原子核 . 一般 57 55 中子星中含有约 10 个中子 ,此外还有约 10 个质子及同样数目的电子 . 这些质子和电子填满了中子可能衰变的态 ,阻止中子衰变 ,使中子星稳定 ,成为一个稳定的大原子核 . 中子星也有点像“ 汤姆孙原子”电子 , 嵌在带正电的核中 . 如果分别用原子核中的质子数和中子数作纵坐标和横坐标 , 那么 , 通常化学元素中稳定性好的原子核 , 基本分布在过原点的 45 °线附。