一千年前中國(guó)天文學(xué)家的記錄，如何與現(xiàn)代天文學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)聯(lián)系在一起？

我們常說(shuō)，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。太陽(yáng)是對(duì)地球、生命和人類最重要的天體。但隨著天文學(xué)的發(fā)展，我們發(fā)現(xiàn)在銀河系中至少有超過(guò)1000億顆恒星，而太陽(yáng)只是其中一顆極其普通的恒星。從日心說(shuō)到現(xiàn)代天文學(xué)，我們對(duì)太陽(yáng)和恒星的認(rèn)識(shí)成為我們探索宇宙的重要組成部分，在這個(gè)過(guò)程中，我們也在不斷重塑自身的宇宙觀。

英國(guó)萊斯特大學(xué)天體物理學(xué)榮休教授安德魯·金在《恒星》一書(shū)中，以簡(jiǎn)明扼要的筆法講述了恒星的誕生、演化和消亡，揭示了中子星、黑洞這些奇異天體的秘密。在下面的文字中，他就講述了天文學(xué)家如何尋找恒星的遺體。特別是，一千年前我國(guó)宋代天文學(xué)家對(duì)天象的記錄如何為一項(xiàng)現(xiàn)代天文學(xué)的重要發(fā)現(xiàn)提供了佐證。

由恒星演化理論可知，恒星只會(huì)以三種方式結(jié)束一生：白矮星、中子星或者黑洞。我們發(fā)現(xiàn)白矮星是可以直接觀測(cè)到的。中子星則太小了，表面積是白矮星的一百萬(wàn)分之一。如果溫度也相近，那它們就極其暗淡，很難被看到。而根據(jù)定義，黑洞完全不輻射。我們能確定這種奇怪的天體真實(shí)存在嗎？后面會(huì)看到，大量證據(jù)表明它們確實(shí)存在。我們會(huì)在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，黑洞在塑造我們周圍宇宙的結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了尤為重大的影響。

脈沖星

中子星存在的第一個(gè)具體證據(jù)，得自于一項(xiàng)為其他目的設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。射電天文學(xué)建立于第二次世界大戰(zhàn)后，早期的射電源大多是遙遠(yuǎn)的星系。天文學(xué)家意識(shí)到，他們探測(cè)到的射電信號(hào)會(huì)在穿過(guò)太陽(yáng)吹出的稀薄氣體（即太陽(yáng)風(fēng)）時(shí)受到影響。這種氣體很容易被行星磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，而在四處快速運(yùn)動(dòng)。這不會(huì)對(duì)觀測(cè)遙遠(yuǎn)星系帶來(lái)太多不便，因?yàn)樯潆娸椛浣?jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間累積，平均下來(lái)會(huì)消除行星際氣體的干擾效果。不過(guò)，如果射電望遠(yuǎn)鏡很靈敏，可以在很短的時(shí)間內(nèi)（比如幾秒鐘）探測(cè)到遙遠(yuǎn)的射電源，那它就能觀測(cè)到這種行星際閃爍，供天文學(xué)家研究。

要點(diǎn)在于，這是天文學(xué)家第一次有意觀測(cè)如此快速變化的現(xiàn)象。天文學(xué)似乎是這樣的學(xué)科：重大的變化動(dòng)輒上百萬(wàn)年，就算是行星的軌道運(yùn)動(dòng)也是以月和年來(lái)計(jì)算。當(dāng)然，沒(méi)有人能預(yù)測(cè)之后會(huì)發(fā)生什么。1967年的某天，劍橋大學(xué)研究生喬瑟琳·貝爾正在檢查某臺(tái)儀器的輸出結(jié)果。這臺(tái)儀器是為研究行星際閃爍而設(shè)計(jì)的。這時(shí)，她注意到一段有規(guī)律的射電脈沖，每秒從天空中的某個(gè)固定位置發(fā)射一次。位置固定，說(shuō)明它必然來(lái)自某個(gè)天體，而不是來(lái)自地球或行星上的物體。但這種極其快速而又規(guī)律的信號(hào)則是前所未見(jiàn)的。一陣疑惑過(guò)后，事情明晰了起來(lái)。

▲喬瑟琳·貝爾

要生成非常規(guī)則的信號(hào)，最明顯的方式就是旋轉(zhuǎn)。如果在球上涂一個(gè)點(diǎn)然后再轉(zhuǎn)動(dòng)它，就能以規(guī)律的間隔看到這個(gè)點(diǎn)。恒星上的點(diǎn)隨恒星自轉(zhuǎn)，也同樣如此。但恒星的自轉(zhuǎn)速度有一個(gè)極限：一旦赤道處的離心力大過(guò)引力，恒星就會(huì)變形。質(zhì)量相同的情況下，恒星越小，極限速度就越快，因?yàn)槌嗟郎系囊Ω蟆Ｋ裕阈窃街旅埽@個(gè)點(diǎn)重現(xiàn)的速度就越快。喬瑟琳·貝爾觀測(cè)到的周期是一秒，這就需要發(fā)射信號(hào)的那顆脈沖星（很快它們就被這么命名了）具有比白矮星還高得多的密度。而且發(fā)現(xiàn)更多脈沖星后，密度極限很快變得更高了。喬瑟琳·貝爾的博士論文導(dǎo)師安東尼·休伊什因發(fā)現(xiàn)脈沖星而在1974年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

雖然1930年代就有了關(guān)于中子星的理論設(shè)想，但只有很少的天文學(xué)家知道或記得這回事。不過(guò)，脈沖星需要的巨大密度讓人們迅速對(duì)其重拾興趣。理論家們很快意識(shí)到，中子星很可能具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)，因?yàn)榧词钩跏即艌?chǎng)很弱，也會(huì)在達(dá)到中子星密度前的高度擠壓過(guò)程中被極度放大。再加上星體高速旋轉(zhuǎn)，它會(huì)在中子星表面某個(gè)固定位置產(chǎn)生一束射電輻射。這束輻射就像我們之前設(shè)想的球上的點(diǎn)，解釋了脈沖星為什么會(huì)發(fā)射脈沖。脈沖星不光是中子星，還是一類以全新方式發(fā)光的恒星：不像大部分恒星那樣靠?jī)?nèi)部核反應(yīng)，也不像白矮星那樣靠余熱發(fā)光。脈沖星的能量來(lái)源是自轉(zhuǎn)。當(dāng)脈沖星因輻射而損失能量時(shí)，它們的自轉(zhuǎn)也會(huì)變慢。也就是說(shuō)，兩次脈沖間的周期必然會(huì)變長(zhǎng)。當(dāng)然，與每次脈沖相比，周期變長(zhǎng)的過(guò)程非常緩慢，因此我們無(wú)法直接看到脈沖變慢。不過(guò)，一旦知道它有可能會(huì)這樣，我們就很容易測(cè)出它的增量——脈沖周期非常短，每天有上千次脈沖。所以，只需幾小時(shí)就可以非常精確地測(cè)出兩次 脈沖的平均間隔時(shí)間，也就是周期。將這次的測(cè)量結(jié)果與之后的比較，就可以得出極小的變化，還有脈沖星自轉(zhuǎn)減慢的速率。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星的自轉(zhuǎn)減速總是隨時(shí)間的推移變得越來(lái)越慢，因此自轉(zhuǎn)慢的脈沖星要花更長(zhǎng)時(shí)間才能讓脈沖周期增加一定比例。相反，快的脈沖星，自轉(zhuǎn)也會(huì)更快變慢，所以它開(kāi)始脈沖的時(shí)間必定相對(duì)較近。我們只須用脈沖周期除以它變慢的速率，就可以估算這個(gè)時(shí)間究竟有多近。得到的結(jié)果就是脈沖星年齡的一種度量依據(jù)。

第一顆脈沖星被發(fā)現(xiàn)后，人們很快又發(fā)現(xiàn)了一顆，它位于著名的蟹狀星云（一顆超新星的殘骸）中央。它的脈沖很快（每秒30次），預(yù)估壽命很短，數(shù)量級(jí)是一千年。中國(guó)的天文學(xué)家記載了1054年蟹狀星云超新星的爆發(fā)。雖然它在天空產(chǎn)生的光斑像金星一樣亮，但顯然，西方世界完全沒(méi)有記錄這場(chǎng)劇變。中國(guó)的觀測(cè)起到了關(guān)鍵作用：記錄的真實(shí)年齡與根據(jù)脈沖星自轉(zhuǎn)減速估算的年齡非常相近。毫無(wú)疑問(wèn)，那顆脈沖星就是旋轉(zhuǎn)著的中子星，而且誕生于那次超新星爆發(fā)。愛(ài)發(fā)牢騷的瑞士裔美國(guó)天文學(xué)家弗里茨·茲威基早在1930年代就提出，超新星是中子星的出生地。他活著看到了自己的觀點(diǎn)得到證實(shí)，但沒(méi)有看到之后人們確認(rèn)了他的另一個(gè)想法：宇宙中大部分物質(zhì)是“暗”的，因而無(wú)法通過(guò)引力效應(yīng)之外的手段探測(cè)。

▲蟹狀星云

吸積

甚至在發(fā)現(xiàn)脈沖星之前，把中子星和黑洞視為真實(shí)存在的天體的觀點(diǎn)就已經(jīng)在逐漸流行了。這是因?yàn)榱硪粋€(gè)特征（歸根結(jié)底它也更加基礎(chǔ)）：中子星和黑洞表面附近有巨大的引力。如果物質(zhì)能從離中子星一定距離的位置由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始掉落，那么強(qiáng)大的引力會(huì)讓它在落到中子星表面時(shí)，速度達(dá)到光速的三分之一。物體與表面碰撞后，會(huì)以輻射的形式釋放所有能量。僅一千克以這種方式撞向中子星的物質(zhì)，就能釋放1016焦能量，比相同質(zhì)量的氫聚變?yōu)楹に尫诺哪芰窟€要高大約20到30倍。

存在一種自然的方式，使得氣體這樣落到中子星上。大質(zhì)量恒星大多并不孤立，而是屬于一個(gè)雙星系統(tǒng)，兩顆恒星相互繞轉(zhuǎn)。如果其中一顆是正常恒星，另一顆是中子星，而且它們相隔不遠(yuǎn)，那么正常恒星的氣體就有許多種方式流向中子星。我們會(huì)在之后做詳細(xì)討論，這里需要先仔細(xì)研究氣體如何下落。

正常恒星上最靠近中子星的那部分氣體最容易落向中子星，這是非常自然的，因?yàn)槟抢锏囊ψ顝?qiáng)。但既然正常恒星在繞中子星做軌道運(yùn)動(dòng)，那么離開(kāi)它的氣體也會(huì)做軌道運(yùn)動(dòng)。如果只有一個(gè)氣體粒子落向中子星，那么它會(huì)沿一條橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，從而非常靠近中子星。因?yàn)橹凶有呛苄。瑲怏w粒子可能會(huì)錯(cuò) 過(guò)它，然后繼續(xù)沿橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。但實(shí)際上，我們不只有一個(gè)氣體粒子，而是有一束粒子流爭(zhēng)著沿同一條軌道運(yùn)動(dòng)。氣體流錯(cuò)過(guò)中子星，但等到它們轉(zhuǎn)完一圈回到正常恒星上時(shí)，領(lǐng)頭的部分就會(huì)與剛剛離開(kāi)恒星的那部分氣體流相撞。在碰撞過(guò)程中，氣體用于軌道運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能會(huì)有不少變成熱能，輻射到太空中。

但這種內(nèi)部碰撞無(wú)法消除氣體繞中子星的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，除非雙方的質(zhì)量相同、方向相反，以正面相撞。結(jié)果是氣體最終沿圓形軌道繞中子星旋轉(zhuǎn)。氣體的內(nèi)耗使氣體擴(kuò)散到一個(gè)環(huán)繞著中子星，且位于雙星軌道平面上的圓盤中。在圓盤內(nèi)部，大部分氣體都在緩慢地螺旋向內(nèi)移動(dòng)。這樣，它們會(huì)更加靠近中子星，同時(shí)也在不斷損失引力能。這些能量只有一個(gè)去處——耗散為熱量，然后從氣體盤的兩面輻射到太空中。等到氣體到達(dá)中子星，它們以輻射形式釋放的能量正好就是直接落到中子星上應(yīng)當(dāng)損失的引力能的一半，這依然是個(gè)很大的量。引力能的另一半作用于旋轉(zhuǎn)，使氣體在向內(nèi)下落時(shí)加速，正好符合我們?cè)诘诙轮刑岬降奈涣Χɡ怼５葰怏w落到中子星上，這些能量也會(huì)以輻射的形式被釋放出來(lái)。

天文學(xué)家將這個(gè)螺旋狀的氣盤稱為吸積盤，因?yàn)橹凶有菚?huì)在這個(gè)過(guò)程中逐漸吸積，也就是獲得物質(zhì)。中子星這類致密天體往往會(huì)通過(guò)吸積盤實(shí)現(xiàn)吸積，因?yàn)闅怏w下落時(shí)總會(huì)有些旋轉(zhuǎn)。黑洞比質(zhì)量相近的中子星還要小，它的吸積顯然也是這樣。現(xiàn)在，這向我們展示了天文學(xué)家如何去做一件看似不可能的事情——實(shí)際觀測(cè)到黑洞。如果我們將上一段的中子星換成黑洞，唯一變化的就是氣體到達(dá)吸積盤中央時(shí)發(fā)生的事情。此時(shí)，它會(huì)徑直落入黑洞，而不是打在中子星那種堅(jiān)硬的表面上。但要記住，到這一步時(shí)，氣體已經(jīng)釋放了一半可用的引力能，這是一個(gè)很大的量。其實(shí)，黑洞吸積過(guò)程中釋放的一半引力能比中子星吸積過(guò)程中釋放的那一半更大，因?yàn)橄嗤|(zhì)量下黑洞更小，可以讓氣體螺旋進(jìn)入更強(qiáng)的引力場(chǎng)。因此，黑洞的吸積過(guò)程最終會(huì)以極高的效率（和中子星相當(dāng)）將吸積質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰浚蠹s是每千克1016焦。探測(cè)吸積黑洞的方式應(yīng)當(dāng)與探測(cè)吸積中子星的方式相同。

（本文節(jié)選自《恒星》第六章“尋找恒星的遺體”，配圖和標(biāo)題為編者所加）

書(shū)名：《恒星》

?♂? 作者：[英]安德魯·金

翻譯：楊晨

內(nèi)容簡(jiǎn)介

恒星是由什么構(gòu)成的？太陽(yáng)如何在漫長(zhǎng)的歲月里持續(xù)發(fā)光？天文學(xué)家如何利用恒星來(lái)探測(cè)宇宙特性？脈沖星、超新星爆發(fā)、γ射線暴等奇特的天體或天文現(xiàn)象是怎樣形成的？諸多疑問(wèn)盤桓多年，讓人類對(duì)迷人的恒星科學(xué)展開(kāi)了長(zhǎng)久的探索。

在本書(shū)中，萊斯特大學(xué)天體物理學(xué)榮休教授安德魯 · 金將為你揭示，恒星是如何形成的，以及物理定律如何驅(qū)使恒星演化，使它們經(jīng)歷一個(gè)個(gè)階段走向成熟，直至那無(wú)可逃避，但有時(shí)也無(wú)比壯麗的死亡來(lái)臨，最終化為黑洞等天體。作者特別指出，探究恒星的本質(zhì)，對(duì)我們理解宇宙、理解自身至關(guān)重要。