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王洪光 徐仁新
（北京大学物理学院天文学系）
在茫茫宇宙中, 什么天体的质量堪比太阳而大小还比不上北京城区？什么天体的旋转速度可以赛过陀螺？什么天体有胜过地球百万亿倍的超强磁场？它就是脉冲星, 一个有着与太阳相当的质量而半径却只有十公里左右的致密天体。
脉冲星, 顾名思义, 就是能够发射脉冲的星体；其英文名pulsar是根据“脉冲射电源”(pulsed radio source)杜撰的。脉冲星标志性的观测特点当然就是其节奏单一的脉冲信号; 消除各种其它影响后, 脉冲到达地球的时间非常准, 精确度甚至超过地球上最好的原子钟。从1967年以来天文学家已经找到了1400多颗脉冲星。多数脉冲星的自转周期为1秒左右, 最快的一颗每秒钟竟要转640多圈!
脉冲星是上世纪60年代天文学四大发现之一。它具备了极高的密度、强引力场和电磁场等极端条件, 是一种得天独厚的宇宙物理实验室, 因此长期以来脉冲星一直深受物理学家和天体物理学家的青睐。在众多的脉冲星课题中, 最引人入胜的要数对脉冲星本质的研究。脉冲星到底是什么? 起初人们深信它就是物理学家朗道早在1932年就预言的中子星, 但后来却杀出个“程咬金”—— 随着研究的深入, 人们发现脉冲星也可能是由所谓的“奇异夸克物质”组成的奇异星。从中子星理论最初的受冷落, 到脉冲星的发现和被证认为中子星, 再到脉冲星是中子星还是奇异星之争的扑朔迷离, 整个研究历程可谓一波三折, 充满了戏剧性。
故事要从1932年英国物理学家查德威克发现中子开始。这一重大发现立刻引起了学术界的关注。一方面人们认识到原子核是由质子和中子构成的; 另一方面一些物理学家和天文学家开始思考主要由中子构成天体的可能性。
白矮星是当时人们知道的密度最高的天体(由亚当斯于1915年发现), 它是小质量恒星在核燃料消耗完以后塌缩形成的产物；虽然密度很大, 组成星体的物质 (如碳、氮等) 还是保持着“原子核+电子”的结构。30年初钱德拉赛卡正致力于用核外电子的简并压力与引力平衡的思想建立白矮星模型。他发现白矮星的质量若大于约1.4 倍太阳质量, 电子简并压将不足以抵抗引力, 星体必将继续塌缩。但下一步的产物是什么? 会无限塌缩成黑洞吗? 这在当时引起了热烈的讨论。1929—1932年间, 苏联著名物理学家朗道刚刚20出头, 正在列宁格勒物理技术研究所做研究生。他也一直对物质处于高温高密状态下的物理过程感兴趣, 并独立得出了白矮星的质量上限。在查德威克发现中子后不久, 朗道就推测：在大质量恒星的中心, 即便质量超过白矮星质量上限, 核心也不会无限的塌缩, 电子将被“压”进原子核, 与质子结合成中子；中子的简并压力足以抵抗引力而形成主要由中子构成的“中子星”。
1934 年, 美国天文学家巴德和瑞士天文学家兹威基联名发表了一篇颇有远见的论文, 明确提出了超新星的概念, 并宣称中子星可能是超新星爆发过程中的产物。不过这个论点在当时还没有观测证据支持, 显得“超前”而不为大多数天体物理学家接受。兹威基个性奔放, 思维活跃, 经常拿一些凭直觉得到而未加仔细思考的想法去烦他的同事。也许正因如此, 他和同在加州理工学院的奥本海默关系很不好, 以至于奥本海默故意不引用他的论文, 而只引用朗道的工作。1939年, 奥本海默和他的学生沃尔科夫改进了朗道的计算, 证明稳定的中子星也有一个质量上限：当质量超过大约3倍太阳质量时, 天体将一直收缩下去, 形成黑洞。
尽管参与建立中子星理论构架的都是著名的物理学家和天文学家, 中子星这个概念却长期受到冷落。原因何在? 大家知道, 星体的热辐射光度和它的表面积成正比; 而根据奥本海默等人的计算, 中子星的半径只有大约十公里, 如果中子星的热辐射主要位于光学波段, 那么由于其半径太小, 当时世界上最大的光学望远镜也很难发现。所以中子星长期停留在理论假说的状态。二战以后, 雷达技术广泛应用于天文学, 射电天文蓬勃发展, 使探测中子星的无线电波辐射成为可能。不过, 发现脉冲星却纯属偶然。1967年8月, 幸运之神降临到了剑桥的射电天文学家休伊什和他的女研究生贝尔头上。在试图用一套新射电望远镜系统搜寻类星体时, 贝尔意外地发现了一颗“异常的闪烁源”。四个月后他们分辨出这些变化的信号是一些列强度不等的脉冲, 其间隔周期为1.33秒。脉冲的到达惊人地守时, 竟然精确到千万分之一秒。最初他们还以为这些脉冲是地外智慧生命发出的信号, 甚至起了个名字叫“小绿人”；但是信号如此单调且功率强大, 这种可能很快就被排除了。
在1968年2月24日出版的《自然》杂志上, 休伊什、贝尔及合作者们公布了第一颗脉冲星的观测结果, 并认为这些脉冲可能起源于白矮星或中子星周期性的振荡。同年, 美国科学家戈德则提出另一种解释，认为射电脉冲是中子星的快速自转造成的，脉冲星的辐射束就像灯塔信号一样扫过地球, 在望远镜里引起一个个间隔相等的脉冲(见图2)。随着短周期脉冲星的发现, 尤其是1968年底, 美国射电天文学家在蟹状星云（它是1054年我国古代天文学家发现的一颗超新星爆发后的遗迹）的中心发现了一颗自转很快的脉冲星（其自转周期只有33毫秒），这才排除了中子星自转以外的其他各种可能性；从而使当时的人们相信, 脉冲星就是30多年前朗道所预言的、正在旋转着的中子星。
然而, 脉冲星果真就是中子星吗？在上个世纪六、七十年代, 人们认识到中子并非基本粒子，而是由更为基本的夸克组成的；因此有少数天体物理学家开始考虑由自由夸克物质组成星体（称为夸克星）的可能性。而这种天体和中子星的质量、半径、转动和辐射性质有许多相似之处, 所以脉冲星是否是夸克星值得研究。不过, 就如同中子星的概念对于上个世纪三十年代的人那样, 夸克星对当时大多数天体物理学家来说也是非常陌生的。
“夸克”一词取自一本怪诞的诗集中的诗句, 是海鸟神秘的叫声；美国物理学家盖尔曼幽默地取了这样一个名字, 就是为了表示这些粒子的神秘莫测。继中子发现之后，物理学家们又陆续发现了许多新粒子、新现象；原来普遍认为的“质子和中子是不可分的基本粒子”观念受到了挑战。在对大量实验分析和理论研究的基础上, 1964年盖尔曼和兹韦格各自独立地提出：包括中子、质子在内的强子是由更深层次的粒子（即夸克）组成的。最初提出的是三种夸克: 上夸克、下夸克和奇异夸克。上夸克带有+2/3电荷, 而下夸克和奇异夸克则带有-1/3的电荷。后来随着一些新粒子（如丁肇中等发现的J/粒子，等）的发现, 人们相信还存在另外3种夸克(粲夸克、底夸克和顶夸克)。因此自然界可能存在六种夸克。
从1969年开始就有人将有关夸克的研究应用到天体物理中, 其中值得一提的是日本物理学家伊藤直树。1970年, 他讨论了完全由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的天体，并考虑这种天体的引力平衡。伊藤将他的研究结果发表在一家日本出版的英文杂志上, 但没有引起太多的注意。
研究者们面临着一个不可回避的问题：夸克星真的能存在吗？在1984年，美国著名数学家和物理学家威滕提出了这样一个猜想：完全由上夸克、下夸克和奇异夸克组成的物质（称为奇异物质）要比一般物质稳定。他进一步认为宇宙中有三种方式可能出现奇异物质：宇宙大爆炸极早期的夸克时代, 由奇异物质组成的天体（称为奇异星）以及极高能宇宙线。威滕的这一猜想一定程度上得到了其它研究者的认同；如果它是正确的，奇异星的能量应显著低于中子星；或者说，奇异星比中子星更稳定。有人甚至大胆地提出, 很可能所有已知的脉冲星其实都是奇异星，自然界根本就没有中子星。不过，最近确实有若干先进的空间观测显露出奇异星存在的迹象。
至今，小小的脉冲星已经让天文学家两次获诺贝尔物理学奖(1974年授予发现脉冲星者之一休伊什；1993年授予美国天文学家泰勒和他的学生赫尔斯, 以表彰他们发现了脉冲双星系统, 检验了强引力场中的广义相对论)。然而关于脉冲星的研究还远远没有结束。脉冲星到底是中子星还是奇异星？这对于天文学家和物理学家既是挑战, 也是机遇。当然这一问题的回答要依赖于新的高性能的空间望远镜的观测；也许在不远的将来人们就会得到答案，让我们拭目以待。
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