物理群星
1930 天体与宇宙学

钱德拉塞卡极限

The Chandrasekhar Limit

恒星死后会安静地冷却,还是塌陷成一个连光都出不来的东西,取决于一个数字——约 1.44 倍太阳质量。

当时的困境

1920 年代,恒星的一生已经有了大致的图景:靠核反应发光,燃料烧完后收缩、冷却。天狼星的伴星天狼 B 是个已知的例子——它的质量与太阳相当,体积却只有地球那么大,密度高得离谱。

问题是它凭什么不继续塌下去。

1926 年福勒给出了答案:不相容原理。电子被挤到极密时,泡利不允许两个电子占据同一个量子态,由此产生的「简并压」与温度无关,即使恒星彻底冷却也不会消失。它顶住了引力。白矮星因此是稳定的。

这个解释很漂亮,而且似乎适用于所有恒星——不管多重,最后都会变成一颗白矮星,安静地冷却下去,成为宇宙里的一块余烬。

爱丁顿正是这么想的,而当时英国天体物理学界的意见基本就是爱丁顿的意见。

洞见时刻

1930 年夏天,一个十九岁的印度学生在从孟买开往英国的轮船上重做了这个计算。他多加了一样东西:狭义相对论。

福勒的推导里,电子被当作非相对论粒子,简并压随密度按 5/3 次方增长。但恒星越重,中心密度越高,电子被挤得越紧,动量越大——密度足够高时,电子的速度会接近光速。

这时候幂次会变。相对论性简并气体的压强只按密度的 4/3 次方增长,而自引力的增长恰好也是 4/3 次方。

两者从此同步。这意味着再怎么压缩,简并压也不会相对地「更硬」——它追不上引力了。于是存在一个质量上限,超过它,白矮星撑不住。

钱德拉塞卡算出的数字约为 1.44 倍太阳质量。

1935 年 1 月 11 日,他在皇家天文学会的会议上报告了完整版本。爱丁顿紧接着上台,把这套理论称作归谬法,说「应该存在一条自然定律,阻止恒星以这种荒谬的方式行事」。全场无人为这个二十四岁的印度人说话。

涟漪效应

事实上物理学界私下很快接受了这个结论——泡利、玻尔、狄拉克都表示过支持,只是没人愿意公开与爱丁顿对撞。

1932 年查德威克发现中子后,朗道、兹威基等人指出:越过钱德拉塞卡极限的核心可以塌成中子简并支撑的中子星。1939 年奥本海默与沃尔科夫算出中子星也有质量上限;同年他与斯奈德算出,越过那个上限之后没有任何已知的力能阻止坍缩——星体会一直塌到光也出不来。

也就是说,钱德拉塞卡 1930 年在船上写下的那个数字,是通往中子星与黑洞的第一道门槛。恒星的归宿从此不是一种,而是三种:白矮星、中子星、黑洞,分界线就是这一串质量极限。

1967 年脉冲星被发现,中子星成为实物。1971 年天鹅座 X-1 被认定为第一个黑洞候选体。1983 年,七十三岁的钱德拉塞卡获得诺贝尔奖。

如果没有它

这个极限还有一个意想不到的用处:它让宇宙可以被丈量。

Ia 型超新星是这样产生的——一颗白矮星从伴星吸积物质,质量逐渐逼近钱德拉塞卡极限,在越过的瞬间引发失控的热核爆炸。因为触发条件几乎完全相同,这类超新星的峰值亮度也几乎相同。

于是它们成了「标准烛光」:看上去有多暗,就说明有多远。1998 年,两个观测组用远处的 Ia 型超新星测距,发现宇宙的膨胀不是在减速,而是在加速——暗能量由此进入物理学,那是二十世纪末最大的意外。

一个十九岁学生在轮船上为消磨时间做的计算,先是界定了恒星的死法,后来又量出了宇宙正在做什么。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.钱德拉塞卡《理想白矮星的最大质量》,《天体物理学杂志》第 74 卷第 81 页(1931)
  2. 2.钱德拉塞卡《恒星质量的高度坍缩位形》,《皇家天文学会月报》第 95 卷第 207 页(1935)——被爱丁顿当众驳斥的那篇
  3. 3.奥本海默与斯奈德《论持续的引力坍缩》,《物理评论》第 56 卷第 455 页(1939)——越过极限之后会发生什么