奥本海默:从中子星到黑洞的天体物理学先驱
在奥本海默成为曼哈顿计划的领导者之前,他研究的是宇宙最极端条件下的核物理学。在1930年代的一系列论文中,奥本海默成为了首批确定单个原子核质量极限的物理学家之一。这些原子核存在于今天所知的中子星的核心,超过这个极限之后它会探索成“暗星”,也就是所谓的黑洞。尽管奥本海默以引领美国核武器发展计划而闻名,但他的天体物理学遗产今天仍然存在,成为我们理解黑洞及其形成的关键组成部分。 想象一颗恒星,它的主要组成部分是氢和氦,巨大的引力将这些物质无情地向内拉。一个长期困扰物理学家的问题是:为什么这些物体在引力作用下不会坍缩?为了使这种情况成为现实,恒星内部一定产生了某种压力,成功地**了万有引力。 那么,这个力是怎么产生的呢?它不可能是化学燃烧,因为太阳的寿命可以用亿年来衡量,而化学燃烧只可能有数千年的寿命。它也不可能来自引力收缩,因为恒星的密度不符合。在恒星的核心一定发生了某种新的反应:一种涉及核力的反应。 只要把两个事实放在一起看,就能强烈地暗示这一点:恒星的组成主要由氢构成,其次是氦;氢原子和氦原子核的相对质量,一个氦-4原子核的质量实际上比四个氢-1原子核的质量低0.7%。在恒星核心产生的极端压力和温度下,可能会发生一系列核反应,导致链式反应,氢核最终转化为氦核,并在此过程中释放能量。 通过爱因斯坦的质能方程,物理学家计算出,释放出的能量能够提供巨大的向外辐射压力,使恒星发光很长时间,同时使恒星免受引力坍缩的影响。虽然大多数研究这个问题的科学家都在努力了解核反应发生的细节,但奥本海默对这个问题的另一个方面更感兴趣:当一颗恒星的核燃料完全耗尽时,它会发生什么? 没有燃料来源继续产生辐射,引力就会占上风,恒星的核心就会开始收缩。任何快速收缩的物理系统,没有足够的时间在内部和外部环境之间交换热量,就会导致温度升高。根据我们的现代核物理知识,提高大质量恒星富含氦的核心的温度会导致氦聚变,释放的能量甚至比之前氢聚变释放的能量还要多。 但有些恒星,比如我们的太阳,不会被加热到足以引发任何进一步的核燃烧反应的温度。因此它的核心只会不断收缩,直到它无法再收缩。恒星可以收缩的程度是有限制的,这个限制由量子力学效应决定:漂浮在原子核海洋上的电子简并压力。因为没有两个电子可以占据相同的量子态,这是泡利不相容原理所规定的,所以这些类型的恒星残骸可以抵御引力坍缩。 然而,白矮星的质量一定是有限制的,超过一定的质量,白矮星的大小将被预测为零:一个完全非物理的值。一旦达到临界密度,要么必须进行进一步的核反应,要么白矮星必须进一步坍缩,最终形成黑洞。这个质量极限最初是由钱德拉塞卡在1930年提出的,从那时起就被称为钱德拉塞卡质量极限。 奥本海默选择考虑这个问题的另一个方面:那些质量最大的恒星,那些在燃烧完氢和氦燃料源后温度和密度上升到任意高度的恒星,会发生什么?当一颗恒星中足够大的碳核收缩时,它会变得足够热,从而引发碳聚变,从而产生像氖这样的元素。随着氖核的收缩和升温,它被光分解(被高能光子炸开)变成氧。核心再次收缩,温度上升,导致氧聚变,产生硅和硫等元素。当核心进一步收缩,耗尽氧后,就会发生硅燃烧,通过氦捕获生成硫、氩、钙、钛、铬、铁和镍等元素。在这一点上,核心变得惰性,很快就会出现核心坍缩超新星。 虽然奥本海默不知道这些细节,但他确实得到了一个重要的认识。无论发生什么核反应,最终都会遇到一个极限:恒星的整个核心像一个原子核一样,而这个原子核的质量也不可避免地会有一个极限。在足够高的温度和压力下压缩一个质子和一个电子,它就会通过电子捕获过程变成一个中子,随后释放出幽灵般的中微子。 这方面的进展异常迅速,查德威克在1932年通过实验发现了中子,就在第二年,沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基都提出,中子星将在一颗大质量恒星坍缩死亡的痛苦中产生。这就是奥本海默在20世纪30年代痴迷的问题:取一颗中子星,无论你喜欢多大的质量,用任何你喜欢的方法把它进一步压缩。在某种程度上,我们会遇到类似的钱德拉塞卡极限,但这次是对中子星来说。 奥本海默以理查德·托尔曼之前的研究为基础,并与乔治·沃尔科夫合作,推断出同样的物理效应一定会起作用。不管它是一群中子、质子还是电子都不重要,因为它们都是费米子的例子,它们都遵循泡利不相容原理。这就产生了向外推的简并压力,阻止了恒星残骸——无论是中子星还是白矮星——超过其质量的某个临界值。 最简单的中子星模型,即冷的、不旋转的中子星模型,它的质量最大值,最早是由奥本海默和沃尔科夫提出的,今天被称为托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限,或者简称为TOV极限。考虑到现代核物理和粒子物理学,使用相同方程和方法,我们可以算出非旋转中子星的最大可能质量大约是2.2到2.9太阳质量。 从奥本海默的工作中产生的现代预测与我们对中子星的观测是否符合?找到质量最高的中子星和质量最低的黑洞是一项非常困难的任务,因为确定这些物体的特性是出了名的困难,而且它们真的非常罕见。然而,随着脉冲星计时技术的不断改进,银河系内新中子星的发现,以及更多中子星-中子星合并的例子即将到来,我们可能会发现自己越来越接近发现中子星/黑洞质量极限的位置。 无论何时我们谈论奥本海默,都不应该仅仅是因为他的个人生活,他的政治立场,甚至他在原子弹开发中的作用。相反,从科学的角度来看,他对世界最持久的贡献是天体物理学:他开发了从理论上理解定义中子星和黑洞边界的质量上限的方法。 |