揭开“宇宙灯塔”的神秘面纱 – 从中国的FAST说开｜引力波天文学之三

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LIGO已经探测到4次双黑洞并合事件。那它到底能不能探测到双中子星的并合事件呢？圈内已经定下赌约，以一瓶好酒为注。只是不知这次是否会再带来一枚诺奖。

这是知社引力波天文学系列第三篇。Rainer Weiss, Ronald Drever, 和 Kip Thorne穷尽几十年的精力推动LIGO，终于成功探测到引力波。而在中国，也有这样一位学者，南仁东先生，二十余年来一直推动世界最大口径射电望远镜FAST的建设。如今FAST建成，南先生却离开了我们。

FAST会揭开“宇宙灯塔”的什么样的神秘面纱呢？ 和LIGO一起，又会给我们展示什么样的曼妙风景？ 知社特约国内相关领域一线年轻学者撰写引力波天文学之系列刊发，以飨读者。

特别声明：本系列科普文章都是相关学者基于他们将要申请、正在执行、或者已经结题的国家自然科学基金委支持的《国家自然科学基金项目》发展出来的，版权归作者所有。

揭开“宇宙灯塔”的神秘面纱——真的是中子星吗？｜引力波天文学之三

来小禹 徐仁新

位于贵州平塘县克度镇金科村的大窝凼洼地，近年来俨然成了一处旅游胜地，因为那里坐落着世界上最大的单口径望远镜：500米口径球面射电天文望远镜（英文缩写为FAST）。这座凝聚了无数科学家和工程师的心血和汗水的巨大“天眼”，从提出设想到建成启用历经22年。那么它究竟是用来干什么的呢？不同于利用光学玻璃作为“眼睛”的光学望远镜，FAST接收的是射电信号，其原理类似于收音机接收电台广播，而它的“电台”则在遥远的宇宙中。

FAST有若干个科学任务，而其中一个非常重要的任务就是接收来自一种被称为“脉冲星”的天体所发出的信号。简单说来，脉冲星和本文题目中的“中子星”其实指的是同一种东西。脉冲星这个称呼是从观测角度取的名字，例如用FAST去看它时，看到的是间隔规则的射电脉冲信号。这种信号产生的原因，是脉冲星的自转轴与磁轴不一致 ——这一情形与我们的地球一样，都具有磁偏角——而射电辐射顺着磁轴连续地发射出来。所以随着脉冲星的自转，它发出的射电辐射在宇宙中持续地扫过一片区域。如果地球恰好位于这一区域中，我们就能接收到间隔规则的射电信号，这一间隔当然就是它的自转周期，往往只有一秒左右，有些只有几毫秒（即一秒钟可以转超过数百圈）。正是这一原因，脉冲星被称为“宇宙灯塔”。

人们形象地称脉冲星为“宇宙灯塔”，其辐射束类似于航海的灯塔（图片取自网络）

中子星这个称呼则是从理论角度取的名字，来源于人们对脉冲星内部成分的一种猜测。尽管有前面两篇文章的铺垫，但中子星这一名词对于没有受过天文教育的广大民众可能比较陌生。确实，中子星的知名度远不及它的“手足兄弟”——黑洞。从电影《星际穿越》到去年LIGO首次发现双黑洞并合的引力波信号，黑洞这一名词可谓妇孺皆知。相比死气沉沉的黑洞，中子星本身就具有非常丰富的现象，例如单个中子星会发出包括射电信号在内的各种电磁波信号，而双中子星系统里的两颗中子星发生并合时不仅会产生更丰富而极端的电磁现象（例如上篇文章介绍的伽马射线暴），也可能产生可被探测到的引力波信号。

FAST观测脉冲星的重要科学意义之一，在于帮助天文学家研究中子星的内部结构，即致密物质的状态方程。如果LIGO能成功探测到两颗中子星并合的引力波信号，也有望帮助人们更好地理解中子星的状态方程。从脉冲星发现至今的半个世纪里，科学家们从电磁波信号中苦苦寻找蛛丝马迹来探索中子星的状态方程，但目前仍然没有定论。如今，引力波信号能否助我们一臂之力来揭开“宇宙灯塔”的神秘面纱？我们拭目以待吧。下面，就让我们说说什么是中子星，以及为什么天文学家关心中子星的状态方程。

中子星的前世今生

我们晴朗夜空中的繁星点点，绝大多数都是恒星。恒星因自身核聚变而发光发热，这些热量使得恒星稳定存在——这种稳定状态其实是一项了不起的壮举，表明恒星在强大的引力面前表现得镇定自若——我们的太阳就是如此。

在人们眼中恒星几乎是永恒不变的，但其实恒星也有寿命，只是这个寿命与人类文明历程相比太长了。当恒星内部的能源消耗殆尽之后，恒星就“寿终正寝了”，这时就好像一幢房子突然失去了支柱而向下倒塌一样，整个恒星会向中心收缩，使它收缩的力量就是无处不在的“上帝之手”——引力。收缩到什么程度，取决于恒星的质量有多大，因为质量越大引力越强，星体会收缩得越小。

如果恒星的质量大到好几十倍太阳质量，引力就势不可挡，横扫一切，任何物质也在劫难逃，通通被挤进黑洞；如果恒星的质量比较大但是还不够大（当然必须远大于太阳的质量），引力最后还是会被某些力量抵挡住、而取得阶段性的胜利，成功地将一颗巨大的恒星压缩为一颗半径十几公里的无比结实的球，并且这一过程会同时产生一种剧烈的天文现象——超新星爆发。被压缩之后的物质已经完全不同于普通的物质了，这就是中子星。顺便提一下，我们所熟悉的太阳是恒星家族中的“小个子”，它不会变成中子星，更不会变成黑洞，它的结局是一种与地球差不多大小、称为白矮星的天体。

白矮星、中子星、黑洞示意图（图片取自网络）

如果一颗恒星的宿命是中子星，那么当它燃尽最后的生命之火后，引力到底能将它挤压得多结实？从数值上看，中子星的平均密度为水的密度的百万亿（1后面写14个零）倍以上；也就是说，从中子星内部取出指甲大小的物质，能有1亿多吨重。为了更直观地说明中子星多么致密，我们先说说我们所熟悉的物质多么稀疏。

普通的物质是由原子构成的，而原子是由中心的原子核和绕原子核运动的电子组成的。整个原子的质量都集中在原子核上，电子不仅质量可以忽略，也几乎没有体积，即使有的话也比原子核小得多。原子核非常非常小，如果把原子的横截面积当作中国的国土面积，原子核只相当于边长几十米的操场——也就是说，原子几乎是“空”的。普通物质中的原子和原子之间几乎不重叠，这样看来，所以普通物质中的原子核周围有大量的空间，相当于方圆一百公里只有一个人那样稀疏。

我们日常生活中所熟悉的物质都是非常“空”的。

如果将这些“真空”都挤掉，就制造出中子星内部的物质了。

那么，中子星内部的物质多么致密呢——其致密程度相当于一个个原子核紧挨着一起，也就是说每个原子核周围的空间都被其它原子核填满了。可是，电子跑到哪里去了呢？这样岂不是没有电子的容身之地了？对，确实是这样！普通的原子含有电子，因为原子核是带正电的（原子核中包裹着质子和中子，而质子是带正电的），所以需要带负电的电子来使得整个原子为电中性的；中子星内部几乎所有质子都变成了中子，而中子是不带电的（中子的字面意思就是电中性粒子），也就不需要电子来保持整体电中性了。中子星这一名字就是这样来的。

何为中子星“状态方程”？

作为FAST的重要观测目标的中子星，其状态方程（equation of state）是天文学家非常关心的问题。为了让大家更好地了解中子星状态方程的意义，我们先谈谈“状态方程”这一概念。

我们最早接触到“状态方程”这个词应该是在中学物理课上学习理想气体性质的时候，有时也叫“物态方程”，就是用一个简单的方程表达理想气体的压强、密度和温度这三个量之间的关系：例如，假设气体密度不变，升高气体的温度会导致气体压强增大。其实，天文学家所说的中子星“状态方程”也是这个意思，即一个表达中子星内部物质的压强、密度和温度这三个量之间关系的某一方程。

状态方程看起来也没什么深奥的，那么科学家为什么关心它呢？包括中子星在内的星体，其内部压力与引力达到平衡时才能稳定存在；不知道物质的压强（即状态分成）就不能定量地刻画星体的内部结构。

状态方程反映了构成物质的微观粒子是什么、以及这些微观粒子之间的相互作用具有什么性质。一般来说，得到状态方程有两种方式，一种是做大量实验之后总结出来，例如理想气体状态方程最初就是这么得到的；另一种是通过理论计算推导出来，例如我们也可以算出理想气体的状态方程。后一种方式看上去比较牛，但是前提是需要预先知道构成物质的微观粒子及其之间的相互作用（理想气体是最简单的物质，实际的物质都会涉及比较复杂的相互作用），并且往往需要繁杂的计算。

即使由同一种微观粒子构成，如果这些微观粒子之间相互作用性质不同，也会导致物质具有不同的特征。比如，钻石和铅笔芯都是由碳原子构成的，但这两者的差别显然太大了；再比如，我们杯子里的水是由水分子构成的，但是冰块和水蒸气同样也是由水分子构成的。水蒸气中的水分子之间相互作用最小，所以呈现为气态；液态水中的水分子之间相互作用更强一些；冰中的水分子之间相互作用更强，导致水分子被固定住了，不能自由移动，形成了硬硬的冰块。

水分子由氢原子和氧原子组成。水具有固、液、气三种状态（图片取自网络）

回到正题。既然中子星以中子为主构成，那么它的状态方程是什么呢？通过上一节的描述，我们可以把中子星想象成一个几乎完全由中子构成的巨大的原子核，那么我们就可以借鉴已有的核物理知识来研究中子星了。事实上，上世纪的前五十年人们在微观物理学领域取得的最重要成果（没有“之一”）就是核与粒子物理方面的进展，所以科学家对于原子核的性质还是非常了解的。中子星内部的中子大部分处于“超流态”，形象的描述就是这些中子处于“液态”并且可以毫无阻挠地流动。基于一些基本假设和核物理的知识，中子星的状态方程，即压强、密度和温度之间的关系，是可以推导出来的。

需要补充说明的是，中子星内部的密度随着深度的增加而递增，也就是说中子星越接近表面密度越低。所以虽然中子星内部大部分是中子，但是具体的组成成分会随着深度的不同而改变。由中子构成的物质为星体的主体，这部分称为中子物质区；在此之外有一层既有原子核又有自由中子，称为中子星的内壳层；接近表面时，会有一些地方密度太低而无法将中子从原子核中“挤”出来，此时的物质就和由原子构成的普通物质没有两样，这个部分称为中子星的外壳层，并且往往是固态的。中子星表面可能还存在一个非常薄的大气层。中子星核心密度高，其成分至今尚无定论。

中子星结构

总体来讲，对于一颗半径为十公里的中子星，其固态的外壳层厚度大约只有三百米，而内壳层及以下都包含超流中子，这样看来中子星就像一只生鸡蛋。依据核物理的知识原则上可以得到中子物质和内壳层的状态方程，而通过对比普通物质的性质可以得到外壳层的状态方程。

中子星真的“名副其实”吗？

讲到这里，中子星的故事是否讲完了？不，远没有结束。上一节说过，科学家关心中子星的状态方程，而状态方程反映了构成物质的微观粒子是什么、以及这些微观粒子之间的相互作用具有什么性质——但是，事实上我们连构成中子星的微观单元是什么都还不确定。

前面讲述的中子星的故事是教科书式的，而人类探索自然的实际过程一定是复杂而曲折的。稍微回顾一下历史。中子星的概念产生于上世纪三十年代初，先于脉冲星的发现。1932年苏联物理学家朗道就提出了中子星这一概念，并且稍后的同一年英国物理学家查德威克发现了中子，两年之后天文学家巴德和茨威基预言中子星可以在超新星爆发过程中形成，1939年美国物理学家、“原子弹之父”奥本海默及其合作者计算出中子星的质量与太阳质量相当、而半径只有约十公里。近三十年之后的1967年，英国天文学家休伊什和贝尔发现了一种称为脉冲星的天体，也就是说人们可以连续地、并且非常有规则地接收到从这种天体发出的电磁脉冲信号。而天文学家马上就意识到，所发现的脉冲星其实就是三十年前理论预言的中子星。

讲到这里，一切似乎还是比较顺利的，并且表现为理论预言被观测证实的一个典型案例。对中子星这一概念的革新来自另一个领域的进展——粒子物理。就在天文学家发现脉冲星的同时，粒子物理学家也取得了重大发现，他们意识到质子和中子并不是最基本的粒子，而是由更小的、被称为“夸克”的粒子构成。至此，人们对微观世界的认识上升到了新的层次，不仅知道原子的中心是原子核、原子核由质子和中子构成，而且认识到质子和中子是由夸克构成的。

质子和中子是由更基本的“夸克”构成的

在这个新的层次上重新审视天文学家的结论，人们也不禁要问：大质量恒星“死亡”之后的引力塌缩过程，是否不仅可以把原子挤压成中子、而且还可以把中子“挤碎”变成夸克？

基于这一想法，人们对中子星结构研究的进一步发展出现两个方向。一种温和的观点是改进中子星结构的描述，认为中子星的核区的最中心部分可能出现夸克物质，而其余部分组成不变；而另一种激进的观点是变革中子星的观念，认为在超新星爆发过程中引力将“中子星”内部所有的中子和质子都“挤碎”成夸克，即原来所说的“中子星”其实是从中心到表面完全由夸克物质构成的“夸克星”。也就是说，构成“中子星”的微观粒子可能是夸克而不是中子。

国际同行在1960年代末、1970年代初开始研究中子星内部的出现夸克物质的奇特物态；值得一提的是，我国的前辈们研究始于1970年代后期。例如，曾工作于南京大学和紫金山天文台的已故学者陆埮院士，在上世纪80年代就研究了夸克物质和中子物质机械振荡时热力学行为上的差异，而他带领的团队一直活跃在夸克星研究领域。

不过，由于“中子星”这一称呼在人们认知过程中已经先入为主了，所以在不是特别强调内部结构的具体模型的场合下，人们依然沿用“中子星”这个名字来泛指超新星爆发之后残留的致密天体，尽管它们可能并不是由中子构成的。中子星内部成分的不确定性意味着，“中子星的状态方程是什么”这一问题并没有得到根本解决。

“夸克星”并非故事结尾

就算讲到了“夸克星”，中子星这一故事依然没有结束。夸克星的状态方程比我们前面所说的中子星的状态方程更不确定：人们既不知道夸克星中的夸克实际上是以什么状态存在的，也不知道夸克星中夸克之间的相互作用如何定量描述。

人们对夸克星的认识也经历了发展和改进。刚开始，人们把夸克星看做一个类似中子和质子的巨大粒子，借用粒子物理中描述质子和中子内部夸克性质的理论模型来描述夸克星内部的夸克，这一理论模型把星体内部的夸克看做是几乎自由的。后来，人们考虑了夸克之间的相互作用，但由于这种相互作用理论上很难处理，人们构建的能列出公式计算的理论实际上可能并不可靠。

大自然就是如此神奇，虽然人类经过了长期的努力来探索她的奥秘，但只揭开了她的一点点面纱。人们对于中子星的认识，就面临一种尴尬的境地：中子星内部的物理状态恰好落在人们目前的认知盲区——密度很大，但又不是太大。换句话说，如果它的密度再小一些，或者再大一些，人们或许可以描述它。如果它的密度不超过原子核的密度，人们可以通过核物理的知识来研究它；如果它的密度为几十倍甚至几百倍的原子核密度，那么它恐怕由几乎自由的夸克组成，这种情形下人们也有相应的处理方法。然而，中子星的平均密度是两到三倍的原子核密度，此时中子非常有可能被“挤碎”成夸克，并且夸克之间的相互作用还非常强，人们现有的物理理论很难定量描述在这种情形下夸克的表现。

这样看来，超新星爆发之后形成的致密星体确实神奇到了不可理喻的境地。难道人类的认知极限仅存于这种极端的物体吗？事实上，大自然中的任何事物都是难以捉摸的。还是以我们最熟悉的水为例，虽然我们对于水中的原子、分子、以及这些粒子之间的相互作用非常了解，而且这一相互作用也比较弱，但是单从一堆氢原子核、氧原子核和电子出发，任何一个聪明的物理学家也依然无法把水这种物质构建出来，更谈不上固、液、气三种状态的水了。所以，人们无法从一堆夸克中构建出夸克星，也不足为奇。

大自然自有其道，我们只能通过观察来探究她本来的面目。不过，通过和水的类比，或许可以给我们一点启示：一堆夸克组成的物质可能也具有类似固、液、气的不同的状态，并且既然夸克星内部夸克之间相互作用那么强，它也可能是液态甚至是固态的。十几年前，我们曾依据丰富的脉冲星类天体观测现象提出固态夸克星的概念，并且至今一直试图从理论和观测角度否定或肯定这一看法。

对于脉冲星内部结构的猜测（我们又称 “夸克集团”为strangeon，译成“奇子”）

寻找证据

如前所述，天文学家所说的“中子星状态方程”，实际包含两层意思：中子星的构成粒子是什么（即是中子星还是夸克星），这些粒子之间相互作用的性质如何（即物质表现出什么状态）。事实上，天文学家在这些方面已经做了大量的观测来检验中子星的状态方程。例如，如果它实际是夸克星，那么会有一些不同的性质，比如夸克星的表面密度依然很大、会转得更快、会有更小的质量等等。然而到目前为止，基于电磁波段的观测还无法判断一颗中子星实质上是或者不是一颗夸克星。

如果LIGO探测到了两颗中子星并合的引力波信号，这对研究中子星的状态方程具有非常重要的意义，因为不同的状态方程会产生不同的引力波甚至电磁波信号。例如，一个显著的区别是表面性质：中子星在接近表面时密度非常小、夸克星的表面密度很大、而固态夸克星不仅表面密度大而且还具有刚性，这可能导致两颗星并合之前被“撕裂”的过程不一样，并且这一差异在一定条件下可能会被LIGO或电磁探测器记录。

总之，引力波信号结合Fermi，FAST等电磁波探测器的观测结果，有望对中子星状态方程给出前所未有的限制。探测到双中子星的并合事件，或许可以告诉我们关于中子星和夸克星的更多故事，让我们看清“宇宙灯塔”的更多面容。

不过LIGO到底能不能探测到双中子星的并合事件呢？圈内人也众说纷纭。这不，江教授和龙教授两人已经定下赌约，以一瓶好酒为注。如果今年LIGO探测到双中子星的并合事件，则江教授输龙教授一瓶华盛顿州的上好红酒，LIGO 华盛顿Hanford观测台附件Columbia Valley产出。反之，龙教授则输江教授一瓶苏格兰威士忌，英国苏格兰物理学家罗纳德·德雷弗家乡产出。 （罗纳德·德雷弗是引力波探测先驱， 与加州理工学院物理学荣休教授基普·索恩和麻省理工学院物理学荣休教授赖纳·韦斯创建了“激光干涉引力波天文台”（LIGO），于2017年3月6日去世。去世前与基普·索恩和赖纳·韦斯一起包揽了除去诺贝奖之外的几乎所有科学大奖。）

没准，这个赌约就像Thorne和Ostriker的著名赌约一样，会再带来一枚诺贝尔奖？ 只是希望不要再等35年吧。大家说呢？

当然，引力波天文学能够做的事情远远不止于中子星，天文学家感兴趣的领域也远远不止中子星。引力波是人们探索宇宙的另一扇窗口，借助这一窗口天文学家可以看到宇宙的更多更丰富的面貌，天文学和物理学领域的许多未解之谜将有可能解开。当宇宙学遇见引力波，将会碰撞出怎样的火花？敬请关注引力波天文学之四——哈勃常数的确定。

作者简介

来小禹

来小禹 2010年北京大学取得博士学位，曾工作于新疆大学，现任职于湖北第二师范学院。目前主要结合天文观测研究脉冲星内部的物质状态，以及通过研究早期宇宙QCD相变的可能天体物理后果来探讨强相互作用物质的性质。

徐仁新

徐仁新 北京大学物理学院教授，1997年北京大学取得博士学位。关注脉冲星、夸克星、中子星等天体物理学研究，涉及致密物质物态及其若干天体物理表现、宇宙早期QCD相变、高能宇宙线等基本科学问题。提出致密物质的三味夸克集团相，并试图通过天文观测来检验这一猜想。

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