中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第7章
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又以不同的燃料重新燃起恒星熔炉，从而使得恒星坍缩逆转。氦聚变比以往的氢核反应产生更大能量输出，重力与新热能输出之间的平衡使恒星达到一个新的稳定体积。这时恒星变成了庞大的巨星。它产生的全部能量更多了，但这时有了庞大的恒星表面会把热量辐射出去。这就出现了令人惊奇的事，尽管恒星核反应更加剧烈，但恒星的表面温度却凉下来。这时恒星呈现红色。这种红巨星继续处在稳定状态下，其中氦核聚变会稳定地进行10亿年之久。
氦核聚变的原子产物包括碳、氮和氧。红巨星核心处形成的这些元素在氦燃料贮藏耗尽后将适时变成新的恒星燃料。事实上，大部分大质量恒星将通过一个不同阶段衔接的系列，分别相继地出现更重的核燃料聚变过程，产生越来越重的元素。为了克服更重元素对聚合的顽抗，每个后继阶段都需要比前一阶段甚至更高的恒星核心温度。这依次更高的温度使核燃烧过程逐级加速，所以每个后继阶段所存在的时间就越来越短。
举例来说，观察一下比太阳质量大25倍的恒星的生命周期。由于该巨大天体内部的巨大压力，使得相对较慢的氢燃烧阶段也在700万年之内很快通过。随后是70万年的氦燃烧阶段，继之以600年的碳燃烧阶段，1年的氖燃烧阶段，6个月的氧燃烧阶段和1天的硅燃烧阶段！核反应链的最后元素产品是重而稳定的铁恒星核。铁是最稳定的原子核，它既不能参与聚变反应也不能产生裂变反应，于是恒星核的核反应过程随即终止。铁的恒星核无疑既炽热又致密。其温度高达约数10亿度，集中在约1000千米直径的体积之内，它此时的密度要比水大10亿倍。
恒星死亡与超新星
在恒星生命的整个过程中，受控制的一系列核反应活动从氢聚变直到硅聚变，释放出极其巨大的能量。同时产生出地球上生命所必需的许多元素。然而，与大质量恒星临终的暴烈活动——超新星爆发相比，前面一系列产能过程会显得不够突出。怀有惰性铁核的庞大红巨星，其中心在耗尽能源的最后时刻，引力坍缩立即开始。这时已不存在出现新的聚变反应来抗拒坍缩以恢复恒星平衡的条件。在恒星核心熔炉熄灭数秒钟之内就导致一桩桩急速相继的剧烈事件，而不是继续坍缩下去。这种超新星爆发，以多种方式释放能量，其中包括已知的像宇宙射线这类加速荷电粒子。
恒星铁核在巨大的压力下坍缩。质子和电子被挤压到一起形成中子，作为副产品释放出数万亿中微子。典型的结局是，恒星核以约每立方米1000万亿千克的与原子核相同的密度，聚集到一个30千米直径的球体之中！而该恒星的外层随着坍缩以很高的速度向内运动。向内运动的物质同固态中子核相撞，变得很热并又向外反弹出去。在气体的极端高温与从星核逃逸的中微子的联合驱动下，反弹运动同爆炸一样猛烈。高速向外运动的激波，携带上更多气体使爆炸物质达到极高的温度。高温又点燃恒星外层大气中的氢和较轻的气体，产生聚合反应。庞大外层气体整体的巨大聚合爆发，仅发生在约1秒钟的时间里，瞬间令这颗超新星剧变到1000亿颗恒星那样明亮！
灾变性的爆发之后，随着超声速激波的继续向外冲向星际空间而使越来越多的气体加热，该星能以如同2亿颗太阳那样明亮的光芒，继续闪耀两三个星期之久。由于特别明亮，有时只凭肉眼也能看到超新星爆发。公元1054年，中国古代天文学家杨，对他称之为〃客星〃的突然出现的一颗亮星作了观察记录，在整整一个月的时间里白天也能看见这颗星。我们当今知道，那就是产生金牛星座中蟹状星云的超新星爆发，这是现代天文学研究得最清楚的天体之一。
相当近的一次超新星爆发事例发生于1987年11月24日的初始数小时内。有位名叫I·谢尔顿（Ian Shelton）的加拿大年轻天文学家，当时他从正在作观测的智利南部一台大型望远镜近旁走出圆顶室小憩。他注意到在我们小型比邻星系大麦哲伦星云中出现一颗〃新的〃星星。这个天体，后来命名为SN1987A，就是另一颗稀有的凭肉眼就能看见的超新星，近400年来出现的最亮的超新星。当时，从地球上埋藏在地下的两处检测器记录到少数中微子，从而我们得知这次爆发产生出这类难以检测的粒子。（因为中微子不易与物质相互作用，抵达地球的绝大部分超新星中微子仅只穿过地球而未留任何踪迹。）在这次爆发之后几乎已过去了十年的今天，我们仍然不知道这颗超新星身后遗留下什么。爆炸物质壳仍然从爆发处向外冲击，妨碍我们看清里面有什么。我们猜想，超新星激波把粒子加速到很高的能量，形成宇宙射线和其他辐射，在直到爆炸壳变得足够薄让这种辐射逃逸出来时，我们才能确切知道。另一方面，对于近千年前被中国人看到的有关蟹状星云遗迹的事件，我们却知道得很多。
死亡恒星的余烬
当今，蟹状星云爆炸区仍在发光，星云中心有个急速自转的早已死亡的恒星，已知它是一颗脉冲星。该天体从射电直到甚高能γ射线的广阔范围发出很强的辐射。什么恒星才是脉冲星，它为何发出如此广阔范围的辐射？脉冲星的发现和我们对其本性的理解在科学实践上提供了一个有意思的研究事例，导致其发现者之一于1974年获得诺贝尔奖。
故事实际上是从更早些年的20世纪30年代开始的，还须回溯到恒星聚变反应理论刚提出后。天文学家观测到超新星爆发并认识到这就是大质量恒星生命的终点。但是恒星核到底变成什么？当时流行的理论是恒星核变成了白矮星。已经知道存在着这种恒星，它的特征是具有白热表面的暗弱恒星。
有关白矮星的理论是卓越的年轻印度天体物理学家S·钱德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）于1931年提出的。他当时21岁，从印度奔赴剑桥大学为了取得物理学博士学位去学习，正待在旅途的船上。在漫长的旅途中，他考虑解决坍缩的恒星最终的特性问题。他提出所谓〃电子简并压力〃使恒星停止坍缩的见解。意思是说，由重元素原子核组成的恒星核湮没在群集的电子海洋中，当引力坍缩将电子〃气体〃挤压进入恒星核的尽可能最小的体积中之后，恒星就变为稳定状态。已压缩的电子气所给出的压力会支撑恒星核的重力，于是就形成了稳定的白矮星。钱德拉塞卡的计算表明，白矮星极其致密，是把太阳那样大的质量挤压进地球这样小的体积之中的一类天体。尽管这种天体令人不可思议，也不顾来自当时最著名的天体物理学家爱丁顿（Arthur Eddington）的反对，白矮星的这一理论最终还是被接受了。
钱德拉塞卡的理论发表后的30来年间，很多理论提出具有比白矮星更高密度的恒星，但这些理论被认为是不必要的。大多数天体物理学家乐于接受白矮星就是超新星爆发后的残留物的说法。不管怎样，钱德拉塞卡的理论确实包含一个预言性结论。他发现电子压力不能阻止大于14个太阳质量的恒星核的坍缩。换句话说，更大质量的恒星核在巨大引力的作用下坍缩更加急速，以至电子气体压力也会被征服。这种坍缩中的巨大质量恒星核的结局当时尚不清楚，大多数天文学家去研究其他课题了。
中子星与脉冲星
F·兹维基（Fritz Zwicky）和W·巴德（Walter Baade）两人却是例外，他们亲眼目睹了1932年发表的钱德拉塞卡的研究工作，还曾看到同一年里J·查德维克（James Chadwick）发表的关于发现中子的论文。数月之内，这两位美国天文学家提出了〃中子星〃理论，指出中子星完全由与原子核的密度相同的中子构成。他们推断，假如恒星质量过大，电子简并压力不足以阻止恒星继续坍缩，坍缩会继续进行，直到被一种新的向外的力——中子简并压力阻止，才会停下来。恒星核的最后状态将取决于构成这颗星的中子能被挤压到多小的体积。兹维基和巴德计算指出，比太阳质量大15倍的中子星的直径只有30千米。在30年代，虽然包括罗伯特·奥本海默（RobertOppenheimer）（他后来成为发展原子弹的曼哈顿计划首席科学家）在内的一些理论家仍在继续研究有关中子星的课题，但是这种奇怪的天体对于广大的的天文界并不具吸引力。当观测事实迫使天文学家掸去兹维基和巴德的空想著作上的尘土时，中子星理论已经沉睡了30年。
1967年，有位名叫J·贝尔（Jocelyn Bell）的24岁的女学生，在剑桥大学读天体物理学博士学位。她就读的学校就是钱德拉塞卡就读过的同一所大学，但她的兴趣侧重于观测而不是理论。她和她的导师A·休伊什（Antony Hewish）一起进行研究，贝尔对来自遥远天体的射电信号在传播过程中受气体与尘埃等星际介质的影响进行观测。天文学家们已经知道存在着一类新的类星射电源，休伊什和贝尔试图利用星际介质来研究这类天体的真实大小。不久便认识到这些天体是本书前章所说的类星体。
射电波在穿过恒星间广阔的空间时，偶然会通过称作等离子体的电离气体区。这种物质的存在会使得遥远射电天体在地球上看来出现闪烁。这种星际闪烁类似于地球大气对来自恒星的可见星光产生的作用。我们早已熟知在夜空中区别行星和恒星，尽管都是点状天体，但恒星眨眼而行星个儿看起来大些，却不眨眼。剑桥研究组打算利用星际介质而不是大气对新发现的射电天体进行类似的鉴别大小的试验。然而，却发生了当代科学领域最令人感兴趣的故事之一，他们幸运地撞上了发现一类新的奇异天体——脉冲星的机遇。
贝尔的工作之一是检查每天从射电望远镜记录到的30米纸带上的信号。任务是辨认出涨落的信号源并画出其位置图。早在1967年8月，她就在部分纸带上发现过一些稀奇的信号。当贝尔看到与本星期初从天空相同部分的狐狸星座中记录下来的相似信号再次出现时，感到很惊奇。遗憾的是，两次记录下来的信号都只有一厘米纸带长度，并且贝尔把这个〃颈背皱纹片断〃归因于局部的地上无线电干扰。于是她把这个记录放在一边。所幸运的是，到了11月，新的研究需要用到高速记录器。引起注意的这种信号再次出现，而且这次能以更高的分辨率作研究了。使贝尔诧异的是，她看到这种信号由很规则的相隔13秒间隔的一串脉冲组成。她立刻同当时正在剑桥大学大学生实验室教课的休伊什取得联系。他们再次认为，最明显的解释就是地上干扰源。
贝尔后来谈到这个世俗的说法：……是对环境的响应很敏感的，但是由于确实是深深的无知，我没有看出它们为什么不能来自恒星。然而，他［休伊什］对此事极感兴趣，他在第二天的中天时刻来到天文台，幸运地……脉冲星再次出现。
脉冲信号来源于宇宙空间的看法，很快便不再受到怀疑。该研究组能做到把包括汽车点火和天文台传动等可能的无线电噪声源全部消除。休伊什很快发现，脉冲存在着显著的周期，并且脉冲非常尖锐，所占时间只有0。016秒。随后数星期的紧张工作，休伊什和贝尔隐蔽地絮叨着这些信号来自某种宇宙深处的智慧文明生命的可能性！然而，就在1967年圣诞节前，贝尔找到来自仙后星座的另一组信号，也显出其周期性的一系列脉冲的特征，它的间隔时间是12秒。随后她又发现了第三个和第四个这种信号源。看来不像是四个智慧文明生灵从星系的不同部位发送类似的信号。剑桥研究组开始认为，这些信号源（冒失地称为LGM…1到LGM…4）与天体物理的客体相联系而不是什么〃小绿人〃！这才感到踏实了。
什么天体能产生如此尖锐而又周期性极强的射电脉冲呢？天文学家们很快认识到，发射无线电信号的宇宙空间区域必须很小。这个结论是从脉冲的尖锐程度得来的，例如LGM…1的脉冲只有0。016秒。前面在讨论类星体时，用到天体物理中的一条规律说，来自信号源的信号变化不能比光线横穿源区所用的时间更快。这就给类星体中心〃发动机〃的最大尺寸提出了限制。据此，休伊什采用贝尔的测量数据得出LGM…1不可能比地球更大的结论。实际上还可能更小些。休伊什和贝尔把这类天体定名为脉冲星，即〃发射脉冲的恒星〃的缩写。
脉冲星的发现为20世纪30年代初的兹维基和巴德的中子星理论提供了辩护理由。计算表明，其质量为两个太阳质量的中子星，密集到一个半径30千米的球体中，完全能实现非常高速的自转。要是白矮星（半径大400倍）也转得这样快，必定会碎裂飞开。贝尔的发现还不满一年，就在蟹状星云中心发现一颗脉冲星，它的脉冲频率高达每秒30个！对中子星理论来说这不成问题，但却给白矮星支持者打出了结束信号。蟹状星云脉冲星的发现还有另一层重大意义。它第一次把脉冲星与超新星爆发遗迹联系起来。换句话说，它对脉冲星就是恒星生命的终止这一观念给了很大的权重。
当今，人们已普遍接受了脉冲星就是自转着的中子星这个结论。脉冲星自转其实没什么可奇怪的。许多普通恒星都绕轴自转，例如我们的太阳的旋转周期约30天。物理学中有一条定律，称作角动量守恒定律，对为什么恒星自转速率会随着它体积变小而增大给出了解释。同滑冰者单脚旋转时收拢双臂就能加快转速一样，坍缩着的恒星随着体积的收缩而使旋转加快。这条定律能很容易地解释清楚为什么有些脉冲星能旋转得比正常恒星快数百万倍。
为何能从这种天体收到强烈辐射？据信这里有两个最重要的因素存在于辐射过程中，一个是自转速率，另一个是已知围绕脉冲星的巨大磁场。天文学家测得它的磁场强度至少比我们太阳的磁场强度大10亿倍。理论指出，恒星在坍缩成中子星时，嵌进星球表面的原始磁场将随着恒星表面面积的收缩而变得更加集中。典型中子星的表面积要比太阳的表面积小10亿倍，这就说明磁场必将增强10亿倍。
脉冲星辐射过程的流行模型——发电机机制指出，快速转动的恒星与磁场，在恒星表面上产生非常高的电压。高电压使恒星表面的电子和质子加速获得高速度并发射到空间。围绕着恒星的磁场捕获到这些粒子，迫使它们在磁力线周围作螺旋状运动，随着运动发射同步加速器辐射。绝大部分辐射从磁场最强大的恒星两极周围发射出去。结果同灯塔的两道光线射束类似，粒子射束从脉冲星上相反的两点发射出去。随着恒星的旋转，这两道灯塔射束就有可能扫过地球上观测者的眼界，形成辐射脉冲从而称做脉冲星。发出辐射的波长取决于粒子的能量和磁场的强度，随着这些参数的量级增大辐射的波长变短能量增加。我们说过，从脉冲星发出的最普通的辐射是射电波，但在有些年轻而急速旋转的脉冲星中，同步加速器辐射的范围从频谱无线电波的一端一直扩展到另一端的γ射线。
最终的恒星尸骸
人们早已知道天文学家认为活动星系核是由超
