很多人在看到張帆教授的時候，都覺得他有藝術家範兒，長長的頭髮綁著辮子。但他是一個硬核科學家，他研究的方向是引力波天文學和理論天體物理。他是北京師範大學引力波激光干涉實驗室和 FAST 射電望遠鏡北師大數據中心的籌建人員之一。在以“科學與藝術新的合作可能性”為題的理解未來講座上，他和大家聊了聊中子星，也是他正在研究的方向。下面是張帆老師的精彩演講：

故事先從宋朝開始

謝謝，我是北京師範大學天文系成員，雖然是這個髮型，但我今天講的內容主要是科學方面，因為我做科學研究主要任務是科普。我要講的是什麼呢？

宋朝有一本書叫《宋會要》，就是宋朝大事記。這裡面講了一個東西叫客星，就是天空中沒有的星星，某一天有了之後又沒有了，這是客星。下圖中黃色部分是介紹客星的內容，我就不詳細講了，裡面好多字我不認識。但是可以看出來當時的人是非常害怕的，因為直接寫了“甚可謂也”！生活在古代也是很悲慘的一件事，比如說今天早晨日偏食能把你嚇個半死，天上什麼東西炸了，也能把你嚇到半死，還會在這裡發問說“不然何以妖星輒謫變也？”我們今天回答一下何以妖星謫變。

當時宋朝人看到的是什麼呢？是一個叫做超新星爆發的現象。所謂超新星不是一個長期存在的星星，是一個死掉的恆星最後爆炸的瞬間，它是非常亮的。下圖左邊這張圖是當時宋朝人看到的天空，這個是用軟件還原出來的。圖中能看到大概的位置，作為對比下圖右邊那張圖是現在最近的一次超新星爆發用攝像機拍到的。大家可以看到爆炸之前什麼都沒有，爆炸的時候非常非常亮。

所以，你可以想象一下宋朝人當時嚇的樣子，當時藉著這個藉口可是殺了不少人的，當然現代人不會這樣了。我們今天用現代的望遠鏡去看那個方向的時候，能看到什麼呢？能夠看到的是蟹狀星雲。用光學望遠鏡，紅外和射電能看到外面有一個殼，這個是恆星爆炸之後拋射出來的東西。但是用X光看的時候，裡面有一個小東西在噴射把周圍都照亮了，感覺很極端的一個東西。這個東西是什麼呢？

就是它（下圖），是一個殭屍。我們恆星爆炸了之後中間有一個內核，內核沒有完全死掉。 裡面還有一些很劇烈的天體物理活動，像剛才說的往外噴東西什麼的，所以說它是殭屍。我把下圖裡林正英的臉P掉了換了這個印度人，這個人是誰呢？叫做Chandrasekhara。他是非常有名的天體物理學家，也有衛星以他命名。他幹了一件什麼事和我們相關呢？他算出來在宇宙裡面恆星停止燃燒了以後，通過電子簡併能能夠撐住的最大的星體的質量是多少，是1.44個太陽質量。所以白矮星的上限，超過這個質量的最後死掉的星星變成什麼？變成中子星，有黑洞了。

超新星爆發怎麼形成中子星

首先大家要知道恆星發光發熱是因為有核聚變。核聚變，氫燒成氦，氦燒成氧，氧燒成硅，硅燒成鐵。燒成鐵了以後就沒有辦法繼續燃燒了，因為再燒的話要吸熱不是放熱。所以這種情況下，特別大質量的恆星在最中間會逐漸生成一個鐵核。這個鐵的核因為不再燃燒了，沒有熱的壓力往外撐著，它要抵抗引力不坍縮的話要藉助於什麼呢？要藉助於之前講到的電子簡併能。

電子簡併能是什麼呢？就是上圖。在量子力學裡電子這個東西是非常奇妙的，同一個能量級上只能有兩個存在。在星體內部的話，它的能量是一層一層像臺階一樣的，然後裡面填滿了這些電子。然後要去壓縮，把它的體積繼續減小的話會產生什麼事？這些能量級別之間的間距就增大了，最低還是這麼多能量，而且還是這麼多電子佔據了這麼多能級。但是能級都往上走的話，所有整個的能量是上升的。所以換句話來說你在壓縮的過程當中要頂著一個壓力使勁做功，而這個壓力叫做電子簡併壓。

但是這個內核長到一定程度的時候會發生一件什麼事？有巨大的壓力把電子壓到原子核裡面，電子和裡面的質子結合形成了中子，這些中子實際上最後變成什麼樣呢？就是所有的臨近原子核全都被壓在一起，這些中子全都臉貼臉就像北京地鐵一樣。最後造成的影響就是你的密度超過了原子核的密度，達到這個情況的時候你的原子核之間的核反應核相互作用力就變成了斥力。所以核會發生什麼情況？

你的鐵核達到一定質量之後，這些電子被壓進來了之後，電子簡併能就撐不住了。所以你的核就開始瘋狂坍縮，像自由落體一樣坍縮，然後坍縮到一定的程度，到我剛才講的全部都是中子臉貼臉的時候，它的坍縮就停住了。所以造成的結果就是實際上核在坍縮，我們如果後期有經費的話做一個球，這個鐵核坍縮，坍縮的過程中不是越來越慢慢最後找到平衡點就停在那了。它是自由落體，越來越快，然後過小，完了之後小過了平衡的點再反彈回來，所以有點像足球，會反彈。

但是大家不要忘了，在外面還有包層，還有鐵核以外的其他物質。所以這些物質跟著它一起自由落體的時候，會被反彈過的核給彈起來，會產生一個什麼樣的結果呢？我要體現的意思是，雖然是這麼高放下去的，但是由於這個核在反彈過程中給了一部分能量給了它，所以它實際上會彈比原始的位置更高。這樣就蹦出去，這就是超新星爆發，整個外面的東西全都被拋掉了（如下圖）。

為什麼要研究中子星？

我們在學元素週期表的時候，有沒有想過宇宙裡面的元素到底都是哪來的？有相當一部分都是超新星爆發產生的。我之前描述的那個超新星爆發的過程，負責下圖中所有深綠色的這些元素，基本上生命需要的元素大部分是超新星爆發產生的。所以有一句話說我們是星辰，其實更準確來說我們是星辰炸出來的渣渣。

當然，除了熱愛生命我還熱愛金錢，比如金子。這些貴重的金屬到底怎麼在宇宙中產生的呢？它是由一個快速中子俘獲的過程，如果你有很多的中子，你有一個原子核，你可以把這些中子全都塞到這個原子核裡面去，然後這裡面通過弱相互作用有一些中子退化成質子，然後變成了一個穩定的同位素，這個辦法可以生成非常重的元素。

而我們宇宙裡很多的白金白銀都是這麼產生的。最早大家認為，也是超新星爆發這個過程中產生了絕大部分的這種反應。但是後來發現可能不太夠，後來有實驗證據表明實際上是兩個已經死掉的炸完之後中間剩下的核變成了中子星，兩個中子星碰撞的時候產生的這些過程。因為它那個裡面已經全部都是中子了，很明顯的。所以學習這些東西對我們愛錢的人是很重要的，你要知道你的錢從哪裡來的。

我們看科幻片的時候經常講外星人到地球攫取資源。實際上地球的資源很貧乏，這些稀有金屬比較少，他要攫取應該到兩個中子星合併的附近去直接挖就好了。

一勺中子星=喜馬拉雅山

回到中間炸掉的中子星。中子星這個東西我之前講了，它所有的外面的電子被擠壓到原子核裡面，剛才那個是示意圖。真正的原子和原子核尺寸大小區別是很大的，最起碼是十萬倍這樣子。所以實際上最後剩的那個東西會變得特別小，超過一個太陽質量，一個太陽質量的東西正常是多大呢？

上圖中的桔色大圓球是我們的太陽，旁邊小點的是土星、木星、天王星、海王星，那個小的看不見的我也不知道是哪一個但是區別已經不大的其中有一個是地球。其實是這麼大一個東西——太陽，到最後變成中子星的時候這麼大的質量被塞到多小的尺寸裡面呢？這個黃色的範圍，這個範圍是北京三環。你要塞的再小一點塞到這個黑的，應該是跟紫禁城差不多，塞到那個裡面就變成了黑洞。所以中子星是非常極端的東西，極端到這樣小的體積，它的密度就變得特別瘋狂。有多瘋狂？就是你挖一湯勺的中子星物質，它的質量等同於一個喜馬拉雅山的質量，而且這個喜馬拉雅山得要誇張一點算，如果是鬆軟一點的石頭恐怕要多，大概十億噸左右。

上面的電影，因為我是一個愛看電影的科學家，最近看了《雷神》。雷神之錘號稱由錘死的恆星之間的核心物質製造的，這個錘子最起碼有一個立方分米，所以有1000個喜馬拉雅山的重量，所以我認為這個電影不是特別寫實，那個錘子如果放在地上地面肯定支撐不住，錘子會直接沉到地球中間去了。至於我的女神能否直接把它用手捏碎，我只能說女神萬歲

。

中子星除了內部比較極端以外，它的外部也非常極端，原來那個特別大的星星是有磁場的。但是在爆炸過程中磁通量守恆，所以磁場全都聚集在一個特別特別小的範圍裡面，能夠有多大的磁場呢？一億特斯拉，正常的中子星可以有一億特斯拉。

還有一種更奇特的中子星，它在爆炸過程當中有一個發電機效應的物理過程，是我們地球內部產生磁場的內核的放大版，它能夠有1000億特斯拉。我說這個單位什麼意思呢？我們日常生活中能夠接觸到最強的磁場大概是一個特斯拉，在上圖的那個CT機裡面。

人類能夠產生出來的最強的磁場，是一個日本的實驗室造了1200特斯拉（如下圖），但是在製造的時候炸掉了。幾千個特斯拉已經要冒著生命危險去弄了，而中子星有1000億特斯拉。

這麼極端的情況下，這麼極端的電磁場的存在必然會有極端的電磁效應。其中一個是什麼呢？會沿著磁極方向發射電磁波，發射射電信號，但是這個東西在轉，轉的軸和磁的軸不是一樣的，所以像燈塔一樣轉（如下圖）。我站在這看到它每次掃我的時候我收到一個信號，掃別的地方就沒了。所以我看到的星星是這樣，像一個脈衝一樣，這個東西起名叫脈衝星，實際上就是中子星，就是觀測到的東西叫脈衝星。

我們國家最近修了一口大鍋，這個大家都認識。上圖中的老人是南仁東老先生，他主要負責這件事，這是我們國家新一代的榜樣。當然，所有建造的人都非常值得尊敬，現在調試快成功了我可以這麼說，調試沒有成功之前我真的沒有想到能這麼快調試成功，所以乾的非常漂亮。

這個東西這麼大的接收面積特別適合乾的一件事就是尋找脈衝星。幾個月之前已經找到了最起碼59個脈衝星，找這麼多脈衝星幹什麼用的呢？首先我說這個有什麼用，我要再強調一下對科學研究有什麼用，不是可以馬上能夠拿來當做商品賣錢的。因為每次我講科學研究發現的時候大家都會這個東西說能吃嗎，有什麼用啊？對探索真理髮覺未知一點興趣都沒有，我覺得這是非常遺憾的一件事。當然不是說在座的各位，在座的各位是藝術家，我相信你們一輩子也不會問有沒有用這個問題。

拿來幹嘛?探測引力波

宇宙裡面兩個星系相撞的時候中間有特別特別大質量的黑洞，兩個黑洞環繞碰撞會發射出引力波。這些引力波掃到銀河系的時候會影響脈衝星信號到達地球的時間，所以通過預測到達時間的殘差就可以探測引力波。但是每一個單顆的脈衝星有一個問題，就是自己本身有不穩定性，所以你把這個信號一個一個裁開然後對齊，對齊以後就發現是下圖左邊這樣，實際上還是在亂跳。所以我們幹了一件什麼事呢？我們就是要找宇宙裡面很多很多的脈衝星，像邁克傑克遜舞者一樣，每個人跳的實際上都有一點不一樣，但是你看他們之間齊舞，在引力波的音樂之下齊舞就能找出來引力波的作用。

脈衝星還能用來星際導航

脈衝星其實除了探測引力波之外還有一個比較實用的功能就是星際導航。我們知道地球上要定位的話用GPS用北斗，它的基本方法就是去找和四個不同方向的衛星之間的距離，距離怎麼知道？也是用計時的方法，發射的時間，到達的時間，中間乘光速，就知道距離。

在宇宙裡面，我們離開地球很遠很遠以後所有的GPS北斗和衛星在你看來都是從一個點出來的，所以你沒法用了，需要很多不同方向的。所以這個時候把聽們替換成脈衝星就行了，所以這個東西對將來是很有用的。

我今天穿成這樣就是為了配合下面這個片，我們研究這麼多科學最終的目的要征服宇宙。我們人類作為智人來到地球上已經30萬年了，我們仍然在地球表面上爬，這是非常可悲的事情，我們現在終於要突破這個極限，所以我們在座的各位尤其是小朋友一生是非

常值得期待的。

END

理解未來是未來論壇發起的面向社會公眾開放的公益科普講座。講座邀請國內外優秀科學家進行主旨演講，並進行跨界對話。從2015年起至2018年，已有超過120名科學家參與其中。