中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第8部分
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
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大质量黑洞供给能量的。单独恒星也能坍缩成黑洞。这里难作精确描述，据推断比太阳的质量大一二十倍的质量开始其生命历程的巨大恒星最终将变成黑洞。剧变发生在超新星时期，发生在耗尽燃料的星核过大，甚至中子简并压力也不能阻止灾难性坍缩时。此时此刻，已无任何障碍能阻止这个星核一直坍缩成无限密集、体积为零的天体。物理学家把这一状态描绘为〃奇点〃。
对宇宙空间存在的奇点来说，全部物理学定律都变成无用。事实上，爱因斯坦的广义相对论在广阔范围都有效。直到其密度与太阳质量一样的恒星挤压成一颗质子的体积，也还适用！显然，把如此巨大质量限制在那样小的体积里，其引力场必定会不可思议的强大。回溯到1783年，实际上就在伟大的法国数学家皮埃尔·西蒙·德·拉普拉斯（Pierre Simonde Laplace）谈到它的数年之前，有位英国约克郡（Yorkshire）的天文学家J·米歇尔（John Michell）预言了黑洞的存在。他们认为，假如从天体的逃逸速度超过光速，就将形成黑洞。火箭要克服地球引力逃逸出去，其速度必须达到每秒11千米（44000千米/小时）。具有太阳质量的中子星上，逃逸速度将高达光速的6％，即20，000千米/秒。如果这颗中子星的半径再从30千米收缩到3千米，则逃逸速度将超过光速，这时该天体就变成了黑洞。
天体一旦变成黑洞，则除了通过它对周围物质的引力作用之外，再不能探寻到它的信息。银河系中至今尚未证明有黑洞存在，但是在称为天鹅座X1（CygX1）的恒星系统中极有可能有黑洞存在。在天鹅星座中有一个很强的X射线源，是1964年用火箭搭载的检测器首次发现的。对天空同一区域作光学观测时，在X射线发射位置很快就辨认到一颗巨大的兰星，名称是HD226868。这样一颗星不能发出X射线。可是对这颗星进行光谱研究查明，它以56天为周期来回摆动——看来有颗看不见的伴星正沿轨道绕兰星转动。从观测得知，据估计那颗看不见的天体的质量是太阳质量的9倍。它如果是中子星则其质量大约不能大于太阳质量的3倍，看来这个天体是一个黑洞。
X射线可能是从黑洞周围的吸积盘发射出来的。当黑洞的强大引力从兰星吸引到气体时就形成吸积盘。这和我们早先讨论过的类似，在包括一个中子星和一个密近轨道上的普通恒星的系统中，也会发生类似过程。天文学家还确信，更大的吸积盘就是活动星系核的能量源泉。对X射线信号的时间结构的观测加强了对CygX1的这种模型的认识。它发出的辐射以短到千分之一秒的周期明灭闪烁，表明源区比白矮星小得多，预期其位置大小约在吸积盘炽热的内缘处。
现在让我们离开为本书后面讨论作准备知识而进行的天体物理学巡礼。我们将看到，宇宙射线天体物理学领域（特别是宇宙射线领域奇异的前沿发现）是如何从讨论过的许多其他领域汲取营养的。
上一页 目 录 下一页
□ ＇澳＇罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
第五章 现代科学中的宇宙射线
由于在宇宙射线的研究中探查到一个全新的能量领域，导致对粒子物理学的全新的科学理解。这里成为一块处女地。我们有一条大体正确的经验，每当一个全新的研究领域被理解和接受以后，就会出现科学的重大发展。当射电天文学进入一个全新的电磁波谱区后，使天文学进展到一个蓬勃复兴阶段。由于相干光源——激光变得容易提供，使光学在最近几年恢复了青春。宇宙射线继续不断提供远高于人造加速器所能达到的能量以上的高能粒子信息，但是宇宙射线不容易实现加速器所提供的能作仔细研究的手段。宇宙射线粒子以不可预测的组成和能量，在不能预测的时间抵达我们这里。尽管如此，宇宙射线研究在粒子相互作用的特性方面，仍然有提供广泛而有价值的信息的记录，每当后来在加速器上对这些信息能作详细研究时，就会证明它们是正确的。
奥格尔发现广延空气簇射时，他所发现的最重要方�
