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光速发出的讣告
2007-09-26
本报记者 林天宏
    斯坦·伍斯利烧伤了自己的左手,尽管新年已经过去6天了,伤疤还清晰可见。于是提到新年那晚买的烟花,他就气不打一处来:“如果我燃放的是自己做的烟花,怎么可能发生这样的意外?”

    伍斯利对响声震天的爆炸物一向情有独钟。这个在得克萨斯州出生的美国男孩,从小的玩具就是自制火箭、烟花、小型炸弹,他甚至炸飞过自己的实验室——那间在自家花园里的小屋。如今,他最大的愿望,依旧是在一个安全的地方(比如,伸入海中的码头),点燃壮观的烟花。

    这或许可以从另外一个角度解释,伍斯利为什么要选择现在的职业。这个加州大学圣克鲁斯校区的理论物理学家,正在建立一个名为“坍缩星”的模型,来揭开γ射线暴——这种宇宙中最为壮观的大爆炸——之谜。

    γ射线暴,是一种短促而猛烈的宇宙γ射线爆发,于1967年7月2日首次被美国“维拉4号”(Vela4)卫星探测到。根据估算,这种“宇宙中最大的烟花”,几秒钟内迸出的能量,超过太阳一生所发出的能量。好比“100万个原子弹被塞进一个汽油桶里”。

    20世纪60年代初,伍斯利在休斯顿一所大学学习物理学。那时,人类还没有发现γ射线暴,但天文学家们对超新星爆发已经非常熟悉,他们把超新星称作“宇宙炼金术士”,知道超新星爆发会生成元素周期表中的重元素。但对于超新星爆发中的核反应,阐释得仍不够充分。科学家们想知道,星核坍缩到底怎样发生,压力和温度如何分布,何时产生由内向外的冲击波。

    20世纪80年代,进入加州大学工作的伍斯利便有了模拟“坍缩星”的想法。所谓“坍缩星”,就是超大质量、高速自转的恒星在其演化末期坍缩,形成吞噬一切的黑洞。在黑洞的形成过程中,会释出巨大能量,这些能量以两束γ射线的形式向外辐射,便形成剧烈的γ射线暴。

    当时,对坍缩星的计算还很原始,主要是简单的代数运算,根本谈不上细致的计算机模拟。但当另一个同事安德鲁·麦克法迪恩来到后,局面出现了变化。

    麦克设计出了一种计算机程序,可以极细致地模拟大质量恒星演化的各个阶段,还可以像变戏法一样,轻松地“变”出“坍缩星”来。“我们可以自己来发号施令。让一颗恒星爆炸,看看会发生什么?”他说。

    于是,麦克与伍斯利便开始一道研究“坍缩星”。电脑在办公室里一个偏暗的角落,音箱里放着50年代的摇滚老歌。显示器上装饰有美丽的彩图,使人想到蝴蝶振动的翅膀和“层层绽放的花朵”。

    在计算机模拟中,什么都要考虑到:恒星的构成、温度、恒星气体的压力和内摩擦、恒星内部的核反应和巨大的引力。计算机以很小的时间增量,不停地计算着恒星在上述作用下的演化过程。上一次计算的结果迅速转成下一次计算的输入值,时间增量往往只有几微秒。

    让我们看一下这场烟花的表演吧。一开场,是一颗高速自转的大质量恒星,至少有40或50个太阳的质量。很快,这颗恒星就耗尽了自身的核燃料,在其演化末期,内部的核反应高速展开。最终,在恒星的中心,形成了由铁原子构成的核。

    抵制引力的内部辐射压力削减了,星核坍缩,形成了直径30公里的中子星,已经无力抵制引力坍缩,它将形成直径约10公里的黑洞。

    随着星核坍缩,恒星的自转速度骤增至每秒几百次。这颗恒星赤道面的气体由于自转太快,无法被直接吸入黑洞,便形成了很厚的赤道积吸盘;这颗恒星自转轴方向的气体则相对轻松地被吸进了黑洞。在恒星两极形成隧道状区域,气体密度比周围低了很多。

    与此同时,积吸盘中产生了巨大的能量。积吸盘中的恒星气体密度极高,被旋转着吸进黑洞,从而产生大量摩擦。这时,积吸盘便开始辐射基本粒子和反粒子。那些粒子的速度接近光速,只能沿自转轴方向逃逸,因为那里的气体密度相对较低。这样一来,恒星内部的纵深处就会射出两股方向相反的高能喷流,含有剧烈的γ射线暴。

    至此,“电影放映完毕”:恒星死去,γ射线暴冲入宇宙空间,如同以光速发出的讣告,只有电脑还在低声嗡嗡,夜幕落下,一片沉寂,就像这颗死去恒星的墓地。

    计算机模拟能如实反映现实吗?伍斯利认为能。“你也许会有疑问,这种模型能不能解释得了所有的γ射线暴……但我相信,持续时间不少于几秒钟的爆发都是这样形成的。”

    2000年年初,麦克获得了天体物理学博士学位。在接下来的几年里,两人将扩充、完善他们的计算,最终目标是能使自己的模型做出具体的预测,可以直接与γ射线暴和超新星的观测数据相对照。

    把一盏街灯放到8万米的高空,就看不到了;满天繁星,只要隔上几十亿光年远,也看不到了。然而,通过电脑屏幕,却能目睹那场炫目的爆炸。这圆了伍斯利的梦—在一处安全的地方,燃放壮观的烟花。

    《你不知道的宇宙大爆炸》[荷兰]霍弗特·席林著 乔修峰译 广西师范大学出版社出版

    

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