簡潔的中子星參數源於黑洞「無毛定律」

2020-12-06 鄧如山

天體物理學家一直尋找以一種簡潔語言描述中子星的特性,中子星是極為複雜的宇宙天體,科學家在「中子星物理學」研究中似乎只能使用繁複、多樣的物理語言。在義大利SISSA科研機構的天體物理學最近在《物理評論通訊》雜誌發表了」中子星語言學「的研究成果,他們在文章中表述了中子星特性的簡潔語言,他們使用的物理語言與科學家想像的情形正好相反,這些語詞具有很好的簡潔性和有效性,他們在描述中子星時使用的語言與物理學家在描述黑洞時使用的語言十分相似。物理學家怎樣以多樣的語言方式描述一個物體的性質?比如:通過觀察一個物體的運動狀態等特徵,科學家很容易估算這個物體的重量、形狀和外表顏色,然而,這是一種外在的描述方式,科學家不能在其它的層面描述這個物體的性質,比如:物體的化學成分,同樣,科學家在在天體物理學的描述中遇到了一項挑戰,如何在原子物理學的層面描述中子星的特性,事實上,中子星的物質成分極其複雜,科學家僅通過觀察方式不能描述它的物質成分,他們在目前中子星的研究中提出了幾種複雜的狀態方程式。

然而,至今還沒有一個描述中子星的狀態方程式得到科學家的一致認可,他們目前不能確定哪一個方程式最好、最正確。義大利的裡亞斯特高等研究機構的國際學術部(SISSA)和雅典大學最近進行了一項協作研究,他們的理論研究成果顯示,對中子星的描述適合使用相對簡明的物理術語,通過觀測中子星周圍的時空結構來描述中子星的物理特性。SISSA的研究人員喬治斯·帕帕斯解釋說,從中子星物質構成的特徵來考量,中子星是一種非常複雜的天體,人們可以將中子星設想為一顆體積巨大的原子核,半徑達到了大約10公裡。實際上,中子星是一顆巨大質量的老年恆星發生崩塌後遺留的物體,中子星物質構成的密度極高,顧名思義,中子星的物質成分主要由中子構成。科學家嘗試從核物理學的角度來理解中子星物質構成的特性,總體上看,以物理語言描述中子星的性質非常困難、複雜,科學家通過使用少量、簡潔的數學參數描述了中子星和周圍時空的特性,他們對中子星的簡潔描述和物理學對黑洞的簡化描述非常相似。

黑洞是宇宙中真正獨特的物體,所有物質在形成黑洞的過程中似乎消失得「無影無蹤」,物理學概念的黑洞僅由「點狀」的空間和時間構成,好像中子星的形成過程,黑洞由一顆更大質量的老年恆星發生崩塌後經過連續收縮而形成,相比較形成中子星和形成黑洞的恆星,形成黑洞要比形成中子星的恆星質量大很多。在超大質量恆星發生向內收縮的爆發之中,所有物質似乎被「一掃而空」,黑洞物質似乎被凝聚在「非常態物理學」概念的「虛無時空」。黑洞被天文學家認為是宇宙的最完美物體,物理學家約翰·阿奇博爾德·恵勒曾經將黑洞描繪為宇宙的「無毛」天體,恵勒使用了形象而簡明的語言描述,黑洞的「無毛性」成為了科學界經典性語句。帕帕斯的科學小組經過計算後發現,中子星和黑洞的物理語言描述非常相似。科學家以「多極矩」的物理參數描述天體,涉及黑洞的「多極矩」參數主要有兩個:物質和角動量,而涉及中子星的「多極矩」參數主要有三個:物質、角動量和四極距。「四極矩」是描述旋轉物體產生變形的一項參數。

科學小組根據計算發現了兩個未曾預期的結果,他們的第一個發現是,描述中子星的三個參數滿足了充分、基礎性的要求,更高水平的極矩參數並不獨立存在,它們可從三個基本參數中推導出來。他們的第二個令人吃驚的發現是,中子星的物理參數獨立於中子星的狀態方程式,科學家不需要判斷哪一個中子星的狀態方程式準確、或最好,他們可以確定「多極矩」的參數。實際上,科學小組在描述中子星的特性時不必考慮中子星的物質構成。通過使用天文觀測的數據,例如:中子星發出的輻射強度、天體圍繞中子星旋轉的引力強度,在這些信息的幫助下,科學家重新確立了有關中子星特性的參數體系。

(編譯:2014-4-2)

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