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为什么研究中子星?里面全是黄金

时间:2019-01-24 来源: 点击次数:164


很多人在看到张帆教授的时候,都觉得他有艺术家范儿,长长的头发绑着辫子。但他是一个硬核科学家,他研究的方向是引力波天文学和理论天体物理。他是北京师范大学引力波激光干涉实验室和 FAST 射电望远镜北师大数据中心的筹建人员之一。在以“科学与艺术新的合作可能性”为题的理解未来讲座上,他和大家聊了聊中子星,也是他正在研究的方向。下面是张帆老师的精彩演讲:




         


   故事先从宋朝开始 


谢谢,我是北京师范大学天文系成员,虽然是这个发型,但我今天讲的内容主要是科学方面,因为我做科学研究主要任务是科普。我要讲的是什么呢?宋朝有一本书叫《宋会要》,就是宋朝大事记。这里面讲了一个东西叫客星,就是天空中没有的星星,某一天有了之后又没有了,这是客星。下图中黄色部分是介绍客星的内容,我就不详细讲了,里面好多字我不认识。但是可以看出来当时的人是非常害怕的,因为直接写了“甚可谓也”!生活在古代也是很悲惨的一件事,比如说今天早晨日偏食能把你吓个半死,天上什么东西炸了,也能把你吓到半死,还会在这里发问说“不然何以妖星辄谪变也?”我们今天回答一下何以妖星变。



当时宋朝人看到的是什么呢?是一个叫做超新星爆发的现象。所谓超新星不是一个长期存在的星星,是一个死掉的恒星最后爆炸的瞬间,它是非常亮的。下图左边这张图是当时宋朝人看到的天空,这个是用软件还原出来的。图中能看到大概的位置,作为对比下图右边那张图是现在最近的一次超新星爆发用摄像机拍到的。大家可以看到爆炸之前什么都没有,爆炸的时候非常非常亮。



所以,你可以想象一下宋朝人当时吓的样子,当时借着这个借口可是杀了不少人的,当然现代人不会这样了。我们今天用现代的望远镜去看那个方向的时候,能看到什么呢?能够看到的是蟹状星云。用光学望远镜,红外和射电能看到外面有一个壳,这个是恒星爆炸之后抛射出来的东西。但是用X光看的时候,里面有一个小东西在喷射把周围都照亮了,感觉很极端的一个东西。这个东西是什么呢?




就是它(下图),是一个僵尸。我们恒星爆炸了之后中间有一个内核,内核没有完全死掉。 里面还有一些很剧烈的天体物理活动,像刚才说的往外喷东西什么的,所以说它是僵尸。我把下图里林正英的脸P掉了换了这个印度人,这个人是谁呢?叫做Chandrasekhara。他是非常有名的天体物理学家,也有卫星以他命名。他干了一件什么事和我们相关呢?他算出来在宇宙里面恒星停止燃烧了以后,通过电子简并能能够撑住的最大的星体的质量是多少,是1.44个太阳质量。所以白矮星的上限,超过这个质量的最后死掉的星星变成什么?变成中子星,有黑洞了。


 

 超新星爆发怎么形成中子星 


首先大家要知道恒星发光发热是因为有核聚变。核聚变,氢烧成氦,氦烧成氧,氧烧成硅,硅烧成铁。烧成铁了以后就没有办法继续燃烧了,因为再烧的话要吸热不是放热。所以这种情况下,特别大质量的恒星在最中间会逐渐生成一个铁核。这个铁的核因为不再燃烧了,没有热的压力往外撑着,它要抵抗引力不坍缩的话要借助于什么呢?要借助于之前讲到的电子简并能。



电子简并能是什么呢?就是上图。在量子力学里电子这个东西是非常奇妙的,同一个能量级上只能有两个存在。在星体内部的话,它的能量是一层一层像台阶一样的,然后里面填满了这些电子。然后要去压缩,把它的体积继续减小的话会产生什么事?这些能量级别之间的间距就增大了,最低还是这么多能量,而且还是这么多电子占据了这么多能级。但是能级都往上走的话,所有整个的能量是上升的。所以换句话来说你在压缩的过程当中要顶着一个压力使劲做功,而这个压力叫做电子简并压。

 

但是这个内核长到一定程度的时候会发生一件什么事?有巨大的压力把电子压到原子核里面,电子和里面的质子结合形成了中子,这些中子实际上最后变成什么样呢?就是所有的临近原子核全都被压在一起,这些中子全都脸贴脸就像北京地铁一样。最后造成的影响就是你的密度超过了原子核的密度,达到这个情况的时候你的原子核之间的核反应核相互作用力就变成了斥力。所以核会发生什么情况?

 


你的铁核达到一定质量之后,这些电子被压进来了之后,电子简并能就撑不住了。所以你的核就开始疯狂坍缩,像自由落体一样坍缩,然后坍缩到一定的程度,到我刚才讲的全部都是中子脸贴脸的时候,它的坍缩就停住了。所以造成的结果就是实际上核在坍缩,我们如果后期有经费的话做一个球,这个铁核坍缩,坍缩的过程中不是越来越慢慢最后找到平衡点就停在那了。它是自由落体,越来越快,然后过小,完了之后小过了平衡的点再反弹回来,所以有点像足球,会反弹。

但是大家不要忘了,在外面还有包层,还有铁核以外的其他物质。所以这些物质跟着它一起自由落体的时候,会被反弹过的核给弹起来,会产生一个什么样的结果呢?我要体现的意思是,虽然是这么高放下去的,但是由于这个核在反弹过程中给了一部分能量给了它,所以它实际上会弹比原始的位置更高。这样就蹦出去,这就是超新星爆发,整个外面的东西全都被抛掉了(如下图)。

 为什么要研究中子星?


我们在学元素周期表的时候,有没有想过宇宙里面的元素到底都是哪来的?有相当一部分都是超新星爆发产生的。我之前描述的那个超新星爆发的过程,负责下图中所有深绿色的这些元素,基本上生命需要的元素大部分是超新星爆发产生的。所以有一句话说我们是星辰,其实更准确来说我们是星辰炸出来的渣渣。



当然,除了热爱生命我还热爱金钱,比如金子。这些贵重的金属到底怎么在宇宙中产生的呢?它是由一个快速中子俘获的过程,如果你有很多的中子,你有一个原子核,你可以把这些中子全都塞到这个原子核里面去,然后这里面通过弱相互作用有一些中子退化成质子,然后变成了一个稳定的同位素,这个办法可以生成非常重的元素。

 

而我们宇宙里很多的白金白银都是这么产生的。最早大家认为,也是超新星爆发这个过程中产生了绝大部分的这种反应。但是后来发现可能不太够,后来有实验证据表明实际上是两个已经死掉的炸完之后中间剩下的核变成了中子星,两个中子星碰撞的时候产生的这些过程。因为它那个里面已经全部都是中子了,很明显的。所以学习这些东西对我们爱钱的人是很重要的,你要知道你的钱从哪里来的。

 

我们看科幻片的时候经常讲外星人到地球攫取资源。实际上地球的资源很贫乏,这些稀有金属比较少,他要攫取应该到两个中子星合并的附近去直接挖就好了。

 

 一勺中子星=喜马拉雅山 




回到中间炸掉的中子星。中子星这个东西我之前讲了,它所有的外面的电子被挤压到原子核里面,刚才那个是示意图。真正的原子和原子核尺寸大小区别是很大的,最起码是十万倍这样子。所以实际上最后剩的那个东西会变得特别小,超过一个太阳质量,一个太阳质量的东西正常是多大呢?

 

上图中的桔色大圆球是我们的太阳,旁边小点的是土星、木星、天王星、海王星,那个小的看不见的我也不知道是哪一个但是区别已经不大的其中有一个是地球。其实是这么大一个东西——太阳,到最后变成中子星的时候这么大的质量被塞到多小的尺寸里面呢?这个黄色的范围,这个范围是北京三环。你要塞的再小一点塞到这个黑的,应该是跟紫禁城差不多,塞到那个里面就变成了黑洞。所以中子星是非常极端的东西,极端到这样小的体积,它的密度就变得特别疯狂。有多疯狂?就是你挖一汤勺的中子星物质,它的质量等同于一个喜马拉雅山的质量,而且这个喜马拉雅山得要夸张一点算,如果是松软一点的石头恐怕要多,大概十亿吨左右。

             


上面的电影,因为我是一个爱看电影的科学家,最近看了《雷神》。雷神之锤号称由锤死的恒星之间的核心物质制造的,这个锤子最起码有一个立方分米,所以有1000个喜马拉雅山的重量,所以我认为这个电影不是特别写实,那个锤子如果放在地上地面肯定支撑不住,锤子会直接沉到地球中间去了。至于我的女神能否直接把它用手捏碎,我只能说女神万岁

 

中子星除了内部比较极端以外,它的外部也非常极端,原来那个特别大的星星是有磁场的。但是在爆炸过程中磁通量守恒,所以磁场全都聚集在一个特别特别小的范围里面,能够有多大的磁场呢?一亿特斯拉,正常的中子星可以有一亿特斯拉。



还有一种更奇特的中子星,它在爆炸过程当中有一个发电机效应的物理过程,是我们地球内部产生磁场的内核的放大版,它能够有1000亿特斯拉。我说这个单位什么意思呢?我们日常生活中能够接触到最强的磁场大概是一个特斯拉,在上图的那个CT机里面。

 

人类能够产生出来的最强的磁场,是一个日本的实验室造了1200特斯拉(如下图),但是在制造的时候炸掉了。几千个特斯拉已经要冒着生命危险去弄了,而中子星有1000亿特斯拉。



这么极端的情况下,这么极端的电磁场的存在必然会有极端的电磁效应。其中一个是什么呢?会沿着磁极方向发射电磁波,发射射电信号,但是这个东西在转,转的轴和磁的轴不是一样的,所以像灯塔一样转(如下图)。我站在这看到它每次扫我的时候我收到一个信号,扫别的地方就没了。所以我看到的星星是这样,像一个脉冲一样,这个东西起名叫脉冲星,实际上就是中子星,就是观测到的东西叫脉冲星。



我们国家最近修了一口大锅,这个大家都认识。上图中的老人是南仁东老先生,他主要负责这件事,这是我们国家新一代的榜样。当然,所有建造的人都非常值得尊敬,现在调试快成功了我可以这么说,调试没有成功之前我真的没有想到能这么快调试成功,所以干的非常漂亮。

 

这个东西这么大的接收面积特别适合干的一件事就是寻找脉冲星。几个月之前已经找到了最起码59个脉冲星,找这么多脉冲星干什么用的呢?首先我说这个有什么用,我要再强调一下对科学研究有什么用,不是可以马上能够拿来当做商品卖钱的。因为每次我讲科学研究发现的时候大家都会这个东西说能吃吗,有什么用啊?对探索真理发觉未知一点兴趣都没有,我觉得这是非常遗憾的一件事。当然不是说在座的各位,在座的各位是艺术家,我相信你们一辈子也不会问有没有用这个问题。


 拿来干嘛?探测引力波 

宇宙里面两个星系相撞的时候中间有特别特别大质量的黑洞,两个黑洞环绕碰撞会发射出引力波。这些引力波扫到银河系的时候会影响脉冲星信号到达地球的时间,所以通过预测到达时间的残差就可以探测引力波。但是每一个单颗的脉冲星有一个问题,就是自己本身有不稳定性,所以你把这个信号一个一个裁开然后对齐,对齐以后就发现是下图左边这样,实际上还是在乱跳。所以我们干了一件什么事呢?我们就是要找宇宙里面很多很多的脉冲星,像迈克杰克逊舞者一样,每个人跳的实际上都有一点不一样,但是你看他们之间齐舞,在引力波的音乐之下齐舞就能找出来引力波的作用。



 脉冲星还能用来星际导航 


脉冲星其实除了探测引力波之外还有一个比较实用的功能就是星际导航。我们知道地球上要定位的话用GPS用北斗,它的基本方法就是去找和四个不同方向的卫星之间的距离,距离怎么知道?也是用计时的方法,发射的时间,到达的时间,中间乘光速,就知道距离。

 

在宇宙里面,我们离开地球很远很远以后所有的GPS北斗和卫星在你看来都是从一个点出来的,所以你没法用了,需要很多不同方向的。所以这个时候把听们替换成脉冲星就行了,所以这个东西对将来是很有用的。

 

我今天穿成这样就是为了配合下面这个片,我们研究这么多科学最终的目的要征服宇宙。我们人类作为智人来到地球上已经30万年了,我们仍然在地球表面上爬,这是非常可悲的事情,我们现在终于要突破这个极限,所以我们在座的各位尤其是小朋友一生是非常值得期待的。


END





理解未来是未来论坛发起的面向社会公众开放的公益科普讲座。讲座邀请国内外优秀科学家进行主旨演讲,并进行跨界对话。从2015年起至2018年,已有超过120名科学家参与其中。



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