作者:张承民 来源:中国科学报 发布时间:2018/7/9 9:50:32
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中国天眼天问:宋朝客星与脉冲星的前世今生

 

■张承民

仰望星空,浩瀚宇宙繁星闪烁、熠熠生辉,银河系如同瀑布落九天,召唤人们无限的追思与遐想。回溯时光,诗人屈原感发“天问”而求索,李白将“月光”拟成地上霜。天文学与天体物理学家们历经几世纪的接力研究,诗人与贤哲关于天空的迷思渐显端倪:广袤宇宙的星星就如同我们的地球围绕的太阳,它们大多是依靠核燃烧维持发光的恒星。于是,一系列的“天问”随之产生了:这些燃烧的恒星不可能永恒发光发热、它们必有终点,那么恒星是如何终结的?恒星终结后的产物又是什么?恒星终结那一刻,是天堂的渴望,还是地狱的恐惧?人类永恒的“天问”可否探寻其究?既然天眼释疑“天问”,中国天眼的科学目标——脉冲星将如何与上述“天问”谜团纠缠在一起?

为解惑释疑,让我们先搭上时光的快车,穿越到一千年前的宋朝,找寻脉冲星与中国的关系踪迹,揭示一个开启新时代的“天机”。公元1054年7月4日(宋至和元年)的星空突降“客星”,遭遇了一次千载难逢的重大“天象”。金牛座的天关星附近突然闯进一个“客星”,异常明亮——这也就是后来天文学家所定义的蟹状星云超新星。

公元1054年,金牛座突然闯入“客星”一事,经天文历史学家证实,除了中国天文学家的详细记录,世界各国也有与之相关的记载存世:印度、阿拉伯、日本和朝鲜的天文学家都曾记录了这次星象。更有趣味的是,居住在美国亚利桑那的印第安土著,颇具艺术想象力,他们将所见天象绘成两幅图像,并雕刻在岩壁。那么这时,欧洲的天文学家在忙什么?据说他们在中世纪的宗教管制下,虽有少量记录,但毁于阿尔卑斯山的修道院。唯独我们大宋朝天文学者和历史学家们,确凿翔实、精细描述,这才留给世界一个完整而精美的天文学记录。可以说,其记录本身就像公元1054年超新星大爆发一样,令人叹为观止。由此可以推论,中国文化自信的重要源泉之一在于宋朝的科技成就,那时欧洲的知识分子还处于启蒙开化、徘徊摸索阶段。

在这颗超新星被遗忘了六七百年之后,天文学家用望远镜又偶然发现了它。英国医生、天文学爱好者约翰·贝维斯于1731年发现天空中有一团类似于云状的物体,并把它添加到自己的“星图”中,后来法国天文学家查尔斯·梅西耶独立观察它27年后,将此星云加入自己的《梅西耶星团星云表》,并使之名列榜首。此后,1850年罗斯爵士又观测到该星云,并依据形状将其命名为“蟹状星云”;罗斯还发现它在不断扩张,速度高达1100公里/秒。

那么,这团“星云”的发现有何价值呢?现在,我们再跟随时光快车回到上世纪30年代。当时,苏联物理学家朗道曾猜想存在由中子构成的致密星体,后经美国物理学家、原子弹之父奥本海默详细计算得到,这种星体只有20公里大小,相当于北京市区范围,可是其质量却相当于整个太阳系总和。这在当时是一个天方夜谭的科幻构想,这星体靠什么力量支撑来顶住强大的引力场?奥本海默认为是中子之间的“量子”排斥力,这是源自刚刚创立不久的量子力学理论。接着,就在物理学家预言中子星的存在后不久,天文学家就预言中子星不仅存在,而且可能是超新星爆发的产物。然而,如何证明这一猜想呢?这当然是要用望远镜观测事实来验证,而前提是首先要发现中子星。如何发现,天文学家再次想起了公元1054年的那颗“客星”,最简捷的方法便是在蟹状星云中寻找残留的中子星。

有科学家指出在蟹状星云中有一颗中子星。他们的猜想推理如下:在恒星的核燃料耗尽后,恒星中心部分坍缩引起超新星爆发时,向中心坍缩的质量超过1.4个太阳质量,而恒星质量达到约20个太阳质量时,自由电子的压力不能抵抗强大引力而继续坍缩,导致原子核破裂,电子和质子作用变成中子,形成中子的海洋,最后因为中子所产生的量子压力可抵抗引力而使坍缩停止,从而形成稳定的中子星。

重大的“天机”总是不期而遇。1967年夏天,机会终于给了有心人,回报了天文学家们耐心的等待。那时,英国剑桥大学女博士研究生乔瑟琳·贝尔女士和其导师休伊斯教授搜索天空的射电闪烁信号。贝尔注意到一系列的无线电的周期流量变化,呈现出大约1.33秒间隔,且有极其稳定的脉冲,后经过一系列程序得到认证。这便是检测到第一颗脉冲星(即转动的中子星)的记录。幸运总是等待有准备的人,1968年,美国天文学家利用阿雷西博射电望远镜指向蟹状星云,确实观测到一颗脉冲星,其转动周期是33毫秒,这为天文学家梦寐以求的企盼画上圆满句号。今天,中国“天眼”再次遥望那片宋朝天文学家的“客星”诞生天空,以世界最高的精度重新观测了其残留的脉冲星。这一次,是我们跨越千年时空向宋朝致注目礼!

(作者系中国科学院国家天文台研究员)

《中国科学报》 (2018-07-09 第7版 观点)
 
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