一、天体物理

 

　　宇宙射线里的秘密信息

 

　　撰文 亚瑟•H•康普顿(Arthur H.Compton)

 

　　1927年诺贝尔物理学家奖得主，本文刊登于1933年7月《科学美国人》

 

　　宇宙射线的研究常常被描述成“现代物理学中的另类，因为其中包括微妙的现象、细致的观测、观测学家们探险似的旅行、精巧的分析以及宏伟壮观的结论”。我们相信，宇宙射线能带给我们一些重要信息：或许可以告诉我们这个世界是如何演化的，或者那些原子核最深处结构的秘密。目前，我们正在努力解码这些信息。

 

　　大约5年前，两位德国物理学家博特(Bothe)和科尔霍斯特(Kolhörster)使用计数管进行了一项实验，让我们确信宇宙射线其实是由带电粒子构成的。然而，如果这一结论是正确的话，就意味着在地球上的不同地点，宇宙线的强度应该有所不同。由于地球就像一个巨大的磁铁，这个巨型磁铁就会使射向地球的带电粒子发生偏转。这一效应应该在磁极处最弱，在赤道附近最强，那么如果我们从赤道向两极走，射线强度就应该不断增大。科学家设计了6个不同的系列实验来探测这一效应，然而并没有得出明确的结论。

 

　　为此，在卡内基协会的资助下，我们芝加哥大学的一个研究团队在过去18个月里组织了9次探险，在地球上的不同地点测量宇宙射线——从海平面到6400多米高的安第斯山和喜马拉雅山顶，均有研究人员前去测量。在美国阿拉斯加巨大的麦金利山侧的冰川上，两位出色的登山员卡培(Carpe)和科文(Koven)甚至献出了自己的生命，换回了在如此接近极点的纬度上，迄今海拔最高的测量数据。

 

　　将这些探险所获得的数据整合起来后，我们发现极地附近的宇宙射线强度比赤道附近高15%。此外，正如预计的那样，由于地球磁场对入射带电粒子的作用，宇宙射线强度还随着纬度变化而变化。此外，在高海拔地区，地球磁场的效应要海平面上强数倍。

 

　　这些结果显示，宇宙射线中至少有相当一部分是由带电粒子构成的。然而，某些宇宙射线不会受到地球磁场的丝毫影响。而通过其他一些测量实验，例如皮卡德(Piccard)和雷金纳(Regener)的高空气球实验、博特和科尔霍斯特的计数测量实验，我们得出了一个结论：在这些射线中，只有极少一部分是以光子的形式存在(就像普通的光那样)，但相当数量的辐射可能是以轻原子或轻原子核构成。

 

　　特别值得一提的是，某些宇宙射线能量惊人。用电子伏作为能量单位的话，一个氢原子的燃烧能释放大约两电子伏的能量。镭辐射出α粒子时，会释放200万电子伏的能量。然而，宇宙射线的能量高达百亿电子伏。如此惊人的能量从何而来？在这个问题的答案里，或许隐藏着宇宙如何形成的秘密。

 

　　二、X射线之星

 

　　撰文 里卡多•贾科尼(Riccardo Giacconi)

 

　　2002年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1967年12月《科学美国人》

 

　　星际空间里，充斥着各个波段的电磁辐射，从超短波的伽马射线和X射线，到波长很长的无线电波，无所不包。但是，由于我们的大气层屏蔽掉了大部分波长的宇宙射线，它们中能到达地球表面的只是很少一部分。特别是对波长短于2 000埃(1埃=10-10米)的电磁辐射来说，地球大气是一层不可穿过的障碍。因此，科学家只能用气球或火箭，将探测仪器送到大气层之外来探测来自宇宙的X射线。

 

　　随着火箭发射越来越频繁，将仪器送到太空的机会也越来越多，美国麻省理工学院的布鲁诺•B•罗西(Bruno B. Rossi)建议，对天空中的X射线进行扫描，而我们这个来自美国科学和工程公司(American Science and Engineering)的研究团队，就承担了这项任务。

 

　　1962年6月18日，载有探测仪器的Aerobee探空火箭在美国白沙导弹靶场发射升空。这项实验是在罗西的帮助下，由我和赫伯特•古尔斯基(Herbert Gursky)、F. R. 泡利尼(F. R. Paolini)一起合作准备的。在火箭到达最大高度225千米之前，火箭会在一个特定时刻将舱门打开，暴露出探测仪器。随着火箭沿自身轴向旋转，探测仪器就能扫描120度张角的带状天区，其中包括月球的方向。

 

　　来自探测仪器的遥测信号显示，仪器没有探测到任何来自月球的X射线辐射。然而，在南方天空的天蝎座方向上，探测仪器发现了一个很强的X射线源。根据计数器的记录，这个X射线源的强度是人们预料中的、来自任何遥远宇宙射线源的(根据太阳X射线辐射强度估算)100万倍。

 

　　对数据进行了三个月的仔细研究后，结果证实上述辐射确实是X射线(波长为2到6埃)，来自于太阳系外，射线源大约在银河系中心的方向。究竟是哪一种天体能够辐射出如此高能的X射线流呢？

 

　　我们又在一年中的不同时段进行了两次火箭探测(1962年10月，以及1963年6月)，利用三角测量法缩小了这个强X射线源的位置范围。我们发现，其实它并不在银河系中心。同时，美国海军研究实验室的赫伯特•弗里德曼(Herbert Friedman)及其同事，成功将该射线源定位在了2度弧(2度圆心角所对应的弧长)的天区范围内，这意味着该X射线源是一颗单独恒星，而不是大量恒星的集合。

 

　　现在，该射线源是一个独立天体的证据已经很充分了，所以我们将它命名为Sco X-1(取自天蝎座，Scorpius)。人们或许会想，能以X射线的形式辐射出如此多的能量，该天体应该是清晰可见的，至少也应是一颗相当明亮的恒星。然而，那一天区里并没有什么显眼的恒星。

 

　　接下来的任务就是，从已确定区域里的那些可见的恒星中，找出X射线星。Sco X-1的位置已经被缩小到了1度弧的范围内，在那一区域的天空里，每平方度(半径为R的球体上，面积为π2R2/1802)的天空里约有100颗13等星。在对新获得的数据进行了详细分析后，我们得到了更精确结论：目标恒星必定位于两处候选位置中的一个。

 

　　根据这一结果，日本东京天文台、美国威尔逊山天文台和帕洛玛天文台将望远镜对准了那两个方向，希望找到Sco X-1。东京天文台的天文学家立即发现了这颗X射线星。一个星期之内，帕洛玛天文台证实了这一发现。

 

　　现在，科学家可以用光学天文望远镜来观测Sco X-1了，它那令人震惊的新特性也逐渐展露在了我们面前。最令人震惊的事实是，这颗恒星辐射出的X射线的能量，比其发出的可见光的能量高1 000倍，这是天文学家们没有想到的，因为根据对已知多种恒星的了解，这种情况是不应该出现的。有迹象表明，Sco X-1辐射出的X射线的能量，相当于太阳在所有波段上辐射出的能量的总和。

 

　　三、解密超新星爆发

 

　　撰文 汉斯•A•贝蒂(Hans A. Bethe) 杰拉尔德•布朗(Gerald Brown)

 

　　贝蒂是1967年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1985年5月《科学美国人》

 

　　超新星爆发是从恒星坍缩(即向心聚爆)开始的。那么，它又是怎么改变方向，将大部分的恒星质量向外抛射出去的呢？在某一阶段，恒星物质的向内运动肯定会停止，然后反向运动，由向心聚爆转变成向外爆发。

 

　　结合计算机模拟和理论分析，关于超新星爆发机制的整套理论开始慢慢浮出水面。看起来，反转过程中的关键步骤是形成了向外传播的冲击波。

 

　　当恒星核心的密度达到原子量级时，坍缩会突然停止。这会在恒星核介质中引发朝着反方向传播的声波，就像锤头砸到铁砧上时锤柄产生的振动。当声波从均匀的恒星核心传播出来时，声波的传播速度会逐渐减慢。这由两个原因造成，一是由于它的局部速度降低；二是它在迎着越来越快的坍缩物质“逆流而上”。到达音速点(传播速度达到声速时所在的区域)时，声波完全停下来。同时，更多的物质还在不断向着恒星核心的核物质硬球坍缩，激发更多的声波。在几分之一毫秒的时间里，声波在音速点汇聚，不断产生压力。坍缩物质通过音速点时，这种压力延缓了物质的坍落速度，造成了速度断层。这种不连续的速度变化触发了激波。

 

　　在恒星核心，向内坍缩的物质落到“硬球”的表面后急停，但不是瞬间完全停止。动量会让坍缩超越平衡点，让核心密度达到甚至超过原子核的密度，我们把这一时间点称作“最大压缩”时刻。在最大压缩之后，核物质会反弹回去，就像一个被压缩了的橡胶球。这种反弹会产生更多的声波，汇入不断增强的激波里。

 

　　激波有两个特性与声波不同。首先，声波不会对媒介造成永久性的影响，声波通过之后，物质就恢复到先前的状态。而激波的通过会导致密度、压力和熵的巨大变化。其次，正如其名，声波以声速传播。而激波的速度更快，速度值由波的能量决定。因此，一旦音速点上累积的压力形成了激波，向内坍缩的物质就无法把激波限制在音速点了，它会不断向外传播，直达恒星外层的物质。计算机模拟的结果表明，激波的传播速度很快，在30 000千米/秒～50 000千米/秒之间。

 

　　恒星外层发生爆炸后，恒星核的命运仍不甚明了。据推测，较轻恒星的爆发会留下一个稳定的中子星。根据威尔逊的计算，超过20个太阳质量的恒星将会留下一个超过两个太阳质量的致密残骸。这种残骸会成为一个黑洞，里面物质的密度会被压缩到无穷大。