第七百一十四章 目标是星辰大海！（下）

    “脉冲星？”

    听到徐云隔着千里之外说出的这个词，杨振宁顿时微微一愣。

    脉冲星？

    这啥玩意儿？

    有一说一，单独谈到脉冲这个概念，杨振宁倒是不怎么陌生。

    这个概念的文字释意早在上个世纪就被提出来了，提出者正是徐云的男酮文对象小麦，也就是麦克斯韦同学。

    所谓脉冲，自如其意，和人体的脉搏有些类似。

    人体的脉搏每一次的起伏都可以看作是一次浪潮，而这一次又一次的周期性浪潮就叫脉冲。

    至于第一个应用了脉冲概念的现实技术则是脉冲机体，1924年的时候德国人马克思发明——不是那个马克思哈，是E.马克思。

    所谓脉冲机体，也就是赫赫有名的马克思发生器。

    这玩意儿主要通过低压直流电源产生高压脉冲，通过电容并联充电再串联放电的高压装置。

    它能模仿雷电及操作过电压等过程，所以经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等高能物理试验中。

    人类科技发展到如今这个时期，脉冲在技术上的应用都已经超过了三十种。

    但是

    在这三十多种技术中，没有一种能和脉冲星这三个字沾上半毛钱的边。

    要知道。

    杨振宁作为一名长期待在海对面并且获得了诺奖的顶尖理论物理学家，基本上可以说站在了人类科技的最前沿。

    无论是一些理论也好、科技成果或者项目也罢，即便是海对面最机密的某些研究，他最少都能听到一些有关的风声。

    但脉冲星这个词，他此前却闻所未闻。

    不过徐云此前在暗物质以及工业软件这两件事上已经给杨振宁带来了不小的震撼，于是这位大佬并没有急着质疑徐云，而是很耐心的问道：

    “小徐，恕我孤陋寡闻，敢问这个脉冲星究竟是.？”

    电话对头的徐云想了想，说道：

    “杨先生，你听说过兹维基和巴德提出的中子星概念吗？”

    “中子星？”

    杨振宁这次倒是很快给出了答复：

    “就是兹维基提出的那种致密天体？后来被奥本海默和沃尔科夫总结出来的中子模型？”

    众所周知。

    在宇宙中，致密天体一共可以分为三种：

    第一种质量较小的致密星叫白矮星，其质量和太阳质量大小差不多或更小。

    理论上认为白矮星的质量小于1.4个太阳质量，它的半径大约为太阳半径的百分之一，属于一种末期天体。

    例如咱们的老邻居太阳，在经过红巨星等一系列的变化后，最终就会变成一颗白矮星。

    如果把太阳比作一个正常人，白矮星就相当于只有你脚趾那么小儿，重量却和你相当，密度之高可见一斑。

    第二个致密天体则是黑洞，黑洞的质量可以跨越很大的量级，从几倍太阳质量甚至到几亿个太阳质量范围都有。

    根据黑洞质量的大小，天文学家把黑洞分成了恒星量级黑洞、中等质量黑洞和超大质量黑洞。

    至于第三个致密天体嘛

    便是中子星。

    它的质量比白矮星大一点、其质量在1.4个太阳质量到3.2个太阳质量范围之间。

    但其半径大约只有太阳半径的十万分之一，也就是10km左右。

    如果用之前的例子举例，就相当于一颗细胞与正常人的体重相同。

    同时很特殊的一点是。

    中子星这个概念的提出比较复杂，还涉及到了奥本海默以及其他几个人的恩怨：

    中子这玩意儿被查德威克在1932年发现，接着1933年的时候，毛熊物理学家朗道就提出有一类星体可以全部由中子构成。

    朗道也因此成为首次提出中子星概念的学者。

    不过朗道提出的中子星模型存在很大问题，可以说除了名字和中子结构外，与实际的中子星出入很大。

    他的模型更多偏向于发现了中子这玩意儿后，就猜测这玩意儿能够形成天体——当然了，真实情况肯定没有这么随意，这种模型的推导主要和简并理论有关系。

    接着在朗道之后。

    兹维基.也就是提出暗物质概念的那位大佬，也提出了一个中子星模型。

    兹维基的中子星模型的准确率就非常高了，在模型本质框架上都要领先于朗道，甚至直接提出了中子星是超新星爆发的产物和能源的判断。

    如果单纯截止到这里，那么中子星概念的提出归属其实是比较清晰的：

    朗道最先提出了文字概念，兹维基提出了正确框架，这种事儿在物理学界上很常见。

    但在1939年2月15日的时候，奥本海默突然参了一jio。

    当时奥本海默和沃尔科夫在《物理学评论》发表了一篇关于【大质量中子核】的论文，也是公认的中子星模型的数学框架。

    这个论文引用了兹维基的部分成果，但奥本海默因为与兹维基私下关系很差的缘故，并没有在论文中提及兹维基，反而是提到了朗道。

    尽管后来兹维基亲手发表了一篇《高坍缩星体的观测和理论》的论文，但他的名气和奥本海默终究差太多了。

    加之朗道确实是在时间上最早提出中子星概念的人，于是这通水就这样被搅浑了——很多人以为是朗道提出了正确的中子星概念

    而且这事儿最复杂的地方在于兹维基其实并没有被抢走提出【正确中子星模型】的名头，但想要知道这一点，你要么得是天体物理相关专业，要么就是要深入查询很多资料才会知道真相。

    如果你只是顺手搜索中子星的提出者，基本上得到的都会是朗道这个结果。

    视线再回归现实。

    中子星的提出虽然扯皮颇多，并且眼下这个时代还没有人真正发现中子星，不过这个概念终究算是普及化了——至少对于杨振宁来说如此。

    徐云不提中子星还好，徐云现在这么一提，杨振宁的疑惑反倒更浓了：

    “小徐，如果我没记错的话，根据兹维基提出的模型.所谓的中子星，应该就是一种超高密度的天体。”

    “由于其质量过大，但又没大到可以塌缩成黑洞的极限也就是奥本海默极限，最终将一般元素的核外电子在引力作用下与原子核内的质子结合变成中子，加上核内原有的中子一起构成了中子排排坐的一种星体。”

    “且不说这种星体目前还没有被发现即便它真的存在，和脉冲星又有什么关系？”

    眼见杨振宁能够比较完整的叙述出中子星的概念，徐云对于接下来要说的内容总算是轻轻松了口气：

    “杨先生，您有所不知，所谓的脉冲星.其实就是一直在高速转动的中子星。”

    杨振宁顿时一愣。

    脉冲星是高速转动的中子星？

    这个概念他倒是头一次听说。

    不过他并没有急着出声询问缘由，他知道徐云肯定会进一步的做出解释。

    果不其然。

    话筒对头很快传来了徐云的声音：

    “杨先生，您应该知道，根据兹维基的理论，中子星并不是单纯由中子堆积成的星体。”

    “中子星由于内外压力差的存在，实际上并不是真的一个挨一个那么简单。”

    “例如中子星的内核部分压力更大，实际上是超子，中间层才是真正的自由中子。”

    “而外层则由中子进行β衰变成电子、质子、中微子构成——这涉及到了简并压的范畴。”

    杨振宁轻轻点了点头。

    简并。

    这个算是对近代物理影响很深远的一个概念，

    当初正是因为简并压的发现，才让天体物理、量子力学甚至狭义相对论得到了发展。

    看过《异世界征服手册》的同学应该都知道。

    对于大多数恒星来说，聚变的终点都会是铁元素。

    不过只要恒星足够大，铁以后会继续压缩，这个过程就是简并反应。

    在简并反应中。

    原子核和电子会被分开，原子核紧挨着叠一块儿，这时候的恒星不叫恒星，叫白矮星。

    白矮星靠的是电子简并压对抗引力阻止星体收缩，中子星则是靠中子简并压与坍缩压力进行对抗。

    一旦内部简并中子气所产生的张力不能抗衡坍缩压力，星体将进一步坍缩成为黑洞。

    接着徐云顿了顿，继续说道：

    “杨先生，根据我们的元强子模型成果，中子不带电仅仅表示中子作为一个整体是电中性，并不表示中子的任何一部分都不带电。”

    “正如铁原子也是电中性的，作为一个整体，铁原子也不带电，但是这并不排除铁原子的一部分带正电另一部分带负电。”

    “加之中子存在磁矩，因此中子星理论上同样存在磁场。”

    “高速转动的中子星就像是一个高速发电机的转子在切割磁力线，所以在旋转中的中子星.必然会发出电磁脉冲信号。”

    “至于这些信号的周期和磁场强弱.杨先生，您可以现在就结合我们的元强子算一算，应该很简单的。”

    杨振宁闻言，不由微微蹙起了眉头。

    徐云的解释倒是还算不难理解，但现在要他计算磁场强弱和信号周期.这他就有些不明白了。

    这两个数据有意义吗？

    不过正如徐云所说，这两个参数计算起来不算复杂，因此杨振宁犹豫片刻，还是提笔计算了起来。

    众所周知。

    只要你相信广义相对论在星体方面没有问题，那么星体的结构便可以由TOV方程给出：

    M(r)=∫0r4πr′2ρ(r′)dr.

    一旦你给了另一个初始条件ρ(0)以及物态方程 p(ρ)，就可以通过求解上面的微分方程给出整个星体内部的密度压强等等。

    从星体中心向外，在某一个R处，ρ(r)降到了0，你就可以把这个 R解释成中心密度ρ(0)的星体半径。

    虽然这个方程对于极端致密天体的物态并不是非常的清楚，某种意义上来说甚至属于待解决的重大物理问题之一，计算出大致区间还是不难的。

    好比后世有一种根据脚长反推身高的公式，这公式准吧还真未必准，但是计算出来的身高区间多少都还符合【人类】的定义——至少不会给你算出个身高三米的巨人.

    加之徐云他们还在元强子模型中加入了原子核结合能半经验公式，因此杨振宁很快将大致数据推导了出来。

    不过在即将写下最终得数的时候，杨振宁的笔尖忽然一顿，整个人轻咦了一声：

    “唔？”

    只见他再次将算纸拉到了最开始的地方，然后重新的核算了起来。

    十分钟后。

    杨振宁的眉头拧得愈发紧凑了，只见他重新拿起话筒，问道：

    “小徐，根据转动惯量推导在角动量守恒的基础上，高速旋转的脉冲星周期只有6秒左右？”

    徐云嗯了一声：

    “没错。”

    吧嗒——

    话筒对面清晰的传来了一道东西落地的声音，不出意外的话应该是杨振宁手中的圆珠笔。

    与此同时。

    话筒对面的杨振宁亦是陷入了长久的沉默。

    见此情形。

    徐云很是理解的叹了口气。

    当年的奥本海默虽然和沃尔科夫搞出了TOV极限，但他们估计的中子星质量上限只有太阳的0.7倍左右。

    而实际上根据后世的观测结果显示，他们所用的状态方程对中子星而言并不理想，出入偏差是很大的。

    因为

    中子星的结构远远没有那么简单，甚至比徐云向杨振宁介绍的都要复杂很多倍。

    就像地球外有一层大气一样，中子星最外层也有一层很薄的“大气“。

    它主要是由一些轻核，比如氢核，氦核，碳核组成。

    然后往内走就是中子星的外壳层，它们密度横跨七个数量级，主要由处于化学平衡的质子，中子和电子（注意到电子开始出现，并将提供巨大的费米压强，这将决定了随着密度增大中子星成分的变化）组成。

    更确切的说。

    外壳层的顶端还是由原子核和电子组成，不过随着深度的增加，密度不断增大，电子费米能也不断增大，从而更大电荷数的核也不断增加。

    从最表面的铁56核，一直到元素周期表的尽头——铁核是核素图上单位核子束缚能最大的核，但是随着密度增大，它不足以提供足够的库伦能约束电子

    最终，由核对称能来和电子的费米能竞争。

    再往里面走是中子星的内壳层，原子核中过大的中子占比将造成核的不稳定，

    它们会相互配对，形成超流相的中子气来试图降低能量。

    接下来是中子星的外核了，这是中子星绝大部分的质量来源和半径所覆盖的区域，核物理中的对称能在此决定了其中可能的组分。

    这个壳层的密度达到了核物质密度，形成了紧致的均匀中子系统——可能这个才是最符合公众对于中子星的认知的壳层。

    这时候壳层的组成还多了缪子，因为电子的费米能不断增大，甚至达到了缪子的静止质量。

    然后就是内核，物理界预期会出现带有s夸克的超子(和缪子出现的原因类似)，这中间有著名的超子疑难的问题。

    除此之外，pi介子和k介子的集体激发会破坏空间宇称，还可能出现介子凝聚等等

    后世关于高速旋转的中子星.也就是脉冲星还有着所谓的灯塔模型，不过这玩意儿目前似乎也有推导重来的风险。

    当时徐云还基于脉冲星的某些性质写了个新书开头，想着下本书发布来着。

    结果没想到一年不到使用的理论就快废了，只能说现代理论成果的更新速度确实有点儿快

    总而言之。

    后世对于中子星都了解甚少，更别说如今这个时期的物理学家了。

    即便是杨振宁这样的大佬，面对这些概念也显得有些无力。

    因此徐云在和杨振宁的交谈过程中很多话都是收着说的，比如脉冲星的各类参数。

    后世兔子们的黔省FAST天眼已经探测到了超过800颗，有时一天几个，有时几天一个。（这里推荐一下FAST的官网）

    目前观测到最慢的脉冲星周期大概是10秒自转一次，已知最快的脉冲星转速每秒716圈，表面的线速度达到光速的四分之一，编号PSRJ1748-2446ad。

    在不自爆身份的情况下。

    徐云敢把这个数字说给杨振宁听，这位大佬不以为徐云有精神病都算是心态好的了。

    过了足足有三四分钟吧。

    杨振宁方才重新拿起电话，对徐云问道：

    “.小徐，就算你说的脉冲星真的存在，那么它和引力波探测又有什么关系？”

    徐云闻言暗赞了一声不愧是大佬，在这种情况下都能抓住问题的关键——徐云引出脉冲星的目的，可是为了原初引力波来着。

    如果脉冲星和原初引力波无关，那么它转的再快也没有意义。

    于是徐云组织了一番语言，继续说道：

    “杨先生，您应该知道，根据奥本海默归纳出来的中子星模型，脉冲星会发射很强的双极辐射。”

    “假设——我是说假设啊，假设脉冲星的自转轴和磁轴有一定的偏角，那会发生什么事？”

    “偏角？”

    杨振宁眨了眨眼，思索着说道：

    “如果自转轴和磁轴有偏角存在，那么当脉冲星磁轴扫过地球的时候，我们就会接受到一个脉冲信号。”

    “而两次脉冲信号的间隔，就等于自转周期咦，等等！”

    只见杨振宁的声音骤然拔高了几分：

    “小徐，你的意思莫非是”

    “如果我们能找到自转周期是毫秒级别的脉冲星，就可以根据自转周期的变化，去探测原初引力波？”

    啪！

    徐云闻言隔空打了个响指，脸上的表情显得很灿烂：

    “没错！”

    早先提及过。

    如果单纯依靠科技设备，想要探测到原初引力波最少都需要架起比柯伊伯带还大的探测器。

    这对于现如今的人类科技水平而言显然是不可能的，不过后世的物理学家却在宇宙中找到了一个天然的引力波探测器。

    那就是.脉冲星。

    脉冲星除了转速高之外，更重要的是它的磁场强度也很高。

    磁场的衡量单位叫“高斯”，字母表示为Gs。

    地球磁场为0.7Gs，就足以抵挡太阳风的侵袭；

    木星磁场达到14Gs，是地球的20倍；

    太阳磁场极区普遍磁场很低，只有1Gs，但太阳磁场活动性很大，两极喷发时可达1000Gs，日面宁静区磁节点磁场强度也达到上千Gs，黑子爆发磁场可达4000Gs。

    这些看起来已经很强的磁场，与中子星磁场比起来完全是小儿科了：

    中子星的磁场强度至少在数千亿Gs以上，绝大多数脉冲星表面极区磁场强度都高于10000亿Gs，甚至高达20万亿Gs。

    超高强度的磁场可以为辐射束提供极强的动力，同时从磁极在各个方向中炸出——这些磁极并不总是与脉冲星的旋转轴对齐，就像地球的南北磁极不与我们星球的旋转轴对齐一样。

    在这种情况下。

    毫秒脉冲星就像具有稳定周期的太空灯塔，当它扫过地球的时候，我们就在射电波段探测到一个脉冲。

    我们可以把脉冲到达的时间准确地记录下来，这类脉冲到达时间之间的间隔理论上是恒定不变的，但实际上这些间隔会有极其细微的变化。

    导致这些变化有很多因素，已知的就有地球的运动，太阳系天体导致的引力红移，星际介质的变化等等。

    物理学家把这些因素包括到我们的模型中，去拟合观测得到的脉冲到达时间，模型预言和实际观测之间的差别称为计时残差。

    计时残差就蕴含着没有包括到模型里的物理现象，例如原初引力波。

    引力波导致的脉冲到达时间变化有两个显著的特征：一是相干性，二是四级性。

    所谓相干性，指的就是引力波会对所有阵列中的所有脉冲星同步产生影响，而有些效应——如脉冲星星震只会对单个脉冲星的计时产生影响，不同脉冲星之间的星震是没有任何关联的。

    四极性则是指引力波的效应在旋转180°的方向上是相同的，在旋转90°和270°的方向上则是相反的。

    定性地说。

    对于两颗脉冲星，如果它们的相对地球的夹角是0°或180°，它们的计时残差应该是正相关的，反之如果它们的相对地球的夹角是90°，它们的计时残差应该是反相关的。

    通过仔细的计算，可以得到相关性随夹角的变化，就是著名的Heiling-Down曲线。

    而其它能导致相干性的因素很难具有四极性，因此如果能发现不同脉冲星计时残差间的相关满足Heiling-Down曲线，就能说明探测到了宇宙中的引力波背景。

    后世这类【脉冲星探测器】还有个名字，叫做脉冲星计时阵。

    兔子们的天眼FAST，就靠着脉冲星计时阵发现了纳赫兹引力波存在的证据。

    顺带一提。

    目前引力波这块最前沿的成果是已经发现了标量横向极化引力波，这和广相是有点偏离的——爱因斯坦的广义相对论中预言引力波只有张量极化模式。

    当然了。

    如果就此说广相是错误的或者引力子存在，那倒也有点为时尚早，不过目前这方面还是挺令人期待的。

    视线再回归现实。

    “脉冲星”

    随后杨振宁仔细思考了一会儿徐云所说的这个思路，发现它确实能够解决自己面临的一大难题。

    诚然。

    如果只依靠脉冲星计时阵，那么可以探测到的引力波频率也相对有限。

    但是

    如果能将脉冲星计时阵与他设计的空间干涉仪结合在一起，一者在地面接收，另一者在高空探测，那么可以探测的引力波频率就可以降低很多了。

    因为引力波是一个可以按幂律建模的物理现象，对于某些测量比较精确的系统，轨道周期的变化率甚至是可以通过广相直接计算出来的。

    后世华夏有两个引力波项目，分别叫做太极与天琴。

    其中太极是直接和LISA的合作，天琴则是纯国产。

    这两个空间引力波探测器的原理之一，就是和国内地面的原初引力波探测站进行联动。

    20年12月的时候兔子们还发射了两颗卫星并成功入轨，代号“极目”和“小目”，全名“引力波暴高能电磁对应体全天监测器卫星”，其实就是天琴计划的青春版。

    它们联动的地面单位是中科院高能所执行的“阿里计划”，也是兔子们三大引力波探测计划之一。

    杨振宁虽然不知道未来的这些事情，但以他的学术能力自然不难判断出这个方案的可行性。

    换而言之.

    如今他所要考虑的问题，便是

    “小徐，你对探测脉冲星有什么想法吗？”

    听到杨振宁的这个问题。

    徐云沉默了一会儿，语气变得略微有点微妙了起来：

    “杨先生，不瞒您说，这部分我确实有一些规划，不过具体的项目上可能会与您想的有些出入。”

    “出入？”

    杨振宁眨了眨眼，不明所以的问道：

    “你这是什么意思？”

    徐云很快答道：

    “我想搞一个大型的宇宙研究基地，脉冲星只是其中一小块的研究项目。”

    杨振宁顿时一怔：

    “基地？”

    片刻过后。

    徐云的声音悠悠从话筒对面传了过来：

    “没错，一个大型的宇宙观测、实验基地，名字叫做”

    “红岸。”