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从天狼星B到白矮星的极限:量子力学和相对论的结合

科学探索万象经验2023-10-26

1834 年,德国科学家贝塞尔发现夜空中最亮的星——天狼星——在太空中的运动表现出波浪状的不规则性。当贝塞尔通过望远镜观察天狼星时,他注意到了一个缓慢而独特的周期性运动。于是他得出结论,一定有一个看不见的伴星围绕着它旋转。

但直到1862年1月,阿尔文·克拉克使用当时世界上最大的折射望远镜,才首次直接观察到了这颗幽灵般的伴星。这颗伴星现在被称为天狼星B,其质量与太阳相当,但当时的光度小于太阳的1400分之一。

对于异常低的光度,人们提供了两种合理的解释:要么恒星的表面温度极低,要么它的直径一定异常小。在没有任何其他证据的情况下,人们普遍认为这颗恒星直径小到足以解释所观测到的光度,这意味着其密度比水大十万倍。这远大于地球上发现的任何物质,但当时的科学家都认为这是不可能的。

在1915年,沃尔特·亚当斯宣布他已成功使用威尔逊山的望远镜获得了天狼星B的光谱,它显示出了与天狼星A相同的光谱。我们知道恒星的辐射温度与它们的“颜色”相关,由于两者颜色分布非常相似,因此天狼星B的表面温度应该不低。所以光度低的唯一合理的解释是,天狼星B一定是一颗极其致密的恒星。

这颗恒星在1924年被称为白矮星,当时最著名的天文学家阿瑟·爱丁顿提出,根据爱因斯坦新发展的万有引力定律,如果天狼星b确实像观测结果所表明的那样致密,那么从其强烈引力场射出的光将发生红移,并且更容易测量。他联系了威尔逊山的沃尔特·亚当斯,请他测量红移。亚当斯于 1925年,发表了他的结论,支持了天狼星B确实是一颗极其致密的白矮星的观点。

然而,这种致密天体的存在提出了一个重大难题,当时没有理论可以解决。当且仅当这些恒星内部的温度足够高以完全电离原子时,具有完美气体可压缩性的高密度材料才是可能的。但当致密恒星的能量缓慢辐射到太空时温度会下降,导致快速移动的电子减速并与质子重新结合形成普通的中性原子,这会导致恒星的体积再次增加,从而导致总体密度会降低。

但是根据1920年代的标准天体物理模型,已知恒星的致密阶段的能量低于正常恒星状态,因此恒星需要输入能量才能膨胀。这会导致一个可笑的结论,即这种类型的恒星需要获得能量才能冷却。这明显是理论出了问题,但这并不是当时物理学家面临的唯一问题。

事实上,围绕所有恒星的命运存在一个更普遍的问题。试图将恒星挤压成更小的体积的引力,与快速移动的粒子向外推动所产生的热压力,在恒星生命的大部分时间里,这些力是平衡的。但恒星通过向太空发射辐射而缓慢冷却,这意味着它们施加的压力下降,因此引力能够将恒星挤压变小。当恒星被压缩时,它会再次加热达到平衡,然后再次冷却收缩,一直重复该过程。