【知道SET】高能天体物理学的诞生

本期主题：高能天体物理学的诞生

撰稿人：杨元培

所在单位：云南大学中国西南天文研究所

公元185年12月7日，也就是东汉中平二年乙丑，中国天文学家观测到超新星185，该超新星在夜空中照耀了八个月。《后汉书·天文志》记载道：“中平二年十月癸亥，客星出南门中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至后年六月消”。

超新星185（南门客星）的超新星遗迹，通过红外和X射线的图像合成

这是人类历史上对超新星观察和描述的最早记录。由于这个超新星的位置在圆规座和半人马座之间，靠近南门二的附近，它也被叫做“南门客星”。2015年美国宇航局将“南门客星”的遗迹完美地呈现在了图片上。这颗代号为SN185的超新星穿越了两千年历史后，把《后汉书》上的文字与美国宇航局的现代数码照片紧密地联系在了一起。

从今天的天文学观点来看，超新星是大质量恒星演化到晚期时，灾难性的爆发，是恒星世界中已知的，最剧烈的爆发现象之一。超新星爆发的时候，它向外抛出的抛射物有几倍的太阳质量，这些抛射物的速度可以达到每秒钟几千甚至几万公里，在最亮的时刻，它的光度可以达到整个星系的光度。

超新星爆发的结果是，大部分原来恒星的质量被向外抛射形成超新星遗迹，而原来的恒星要么被彻底瓦解，要么则中心遗留部分坍缩成中子星或黑洞。 对恒星而言，超新星的爆发标志着它的壮烈死亡。然而对超新星的现代天体物理学认知，则标志着高能天体物理学的诞生。

1934年，沃尔特·巴德和弗里茨·兹维基在《美国科学院院刊》发表了两篇论文，在这两篇论文中，他们首次发明了“超新星”这个术语，假设了中子星的存在，并把他们与宇宙线的起源联系在了一起，这篇文章也因此成为高能天体物理学诞生的标志之一。从80年前的观点来看，超新星爆发在天文学中有着显而易见的的中心地位。超新星爆发是宇宙中重元素的起源之一，爆发后激波在星际介质中的传播促进和影响了恒星的形成，同时超新星爆发也被认为是宇宙线的起源之一。在大部分超新星爆发之后，它们的中心产生了极端致密的中子星或黑洞，这些致密的天体有着极端的物理环境和丰富的观测特征，使得它们在后来高能天体物理学的发展中成为了非常重要角色。

左：沃尔特·巴德；右：弗里茨·兹维基

尽管在今天看来，上述高能天体物理学的发展过程显而易见，然而在当时，只有巴徳和兹维基的那两篇论文，极富先见之明的提出了超新星中心地位，以及它们与宇宙线、中子星联系的可能性。在巴徳和兹维基的论文之前，天文学家甚至还没有意识到超新星必须和普通的、更常见的新星区分开来，而中子星的概念甚至都不存在。在巴徳和兹维基的原文中，他们提到“我们提出一种有待证实的观点，既一个超新星代表着一颗普通恒星向中子星的转变。中子星主要由中子构成，这样的天体半径非常小而密度极高”。

中心的快速旋转中子星

此外，他们在第一篇文章中提出超新星有着极高能的爆发能量，而在第二篇文章中就很自然的向读者暗示超新星可能是赫斯在1991年发现的高能粒子的诞生地。巴徳和兹维基在论文中强调道：“因此，我们有理由初步提出宇宙线是在超新星爆发过程中产生的假说”。八年之后，这成为了天文学家的主流观点。此后，超新星的概念很快被天文学界接受，并且非常多的例子被天文学家发现。比如，超新星爆炸产生的巨大激波成为了银河系中被发现的超新星遗迹，而在银河系之外、更遥远的星系中发现了超新星，也意味着超新星确实有着极高的爆发能量。

尽管奥本海默和沃尔科夫进行了理论计算，中子星的概念刚开始却受到了天文学界的怀疑。直到1967年射电脉冲星被发现，并被解释为旋转的中子星后，中子星的概念才被接受和主流化。今天，我们已经知道了成千上万的射电脉冲星和中子星相关的系统，包括最近发现的双中子星并合产生的引力波事件。

蟹状星云（超新星遗迹）

现在，已经大约三十万的学术文章在标题或摘要中出现了“超新星”或“中子星”这些天文学名词，四次诺贝尔物理学奖被授予超新星或中子星相关的工作，超过一万个超新星被发现，超新星遗迹中的宇宙线加速理论成为现代天体物理学中的一个前沿课题。而这一切都最早都源于巴徳和兹维基在1934年提出的跨越时代的独到见解。

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