致密天体,绝超质量黑洞,李政道传奇

  • 《李政道讲座》助教 黄荐
  • 日期:2020-06-26
  • 1986

        6月18日下午13:30,第十三期《李政道讲座》第五讲,来自清华大学的楼宇庆教授为同学们带来了连续三个报告。其中前两个报告“致密天体”和“早期宇宙中的绝超质量黑洞预言、观测和展望”是天体物理的前沿报告,内容包涵了相关物理图像、基础模型理论的发展和构建延伸及楼宇庆教授基于流体引力塌缩自相似动力学演化分析而提出的全新绝超质量黑洞概念;“李政道教授的传奇轶事”则以上百幅珍贵历史照片为索引,为同学们概略性地回顾了李先生求学、获诺贝尔奖殊荣以及为中国物理学研究、制度建设和培养人才做出卓越贡献等经历。

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第十三期《李政道讲座》第五讲楼宇庆教授

        致密天体部分,楼教授首先从白矮星作为代表来进行介绍。白矮星的重要特点之一是物质密度比恒星的大很多数量级,比如直径只有地球大小的白矮星,其质量可以比太阳的还要大些(Chandrasekhar著名的白矮星极限质量为1.44太阳质量)。从物理上讲,费米子遵守泡利不相容原理或费米-狄拉克量子统计是关键核心所在。白矮星主要靠自由电子(一种费米子)气体简并压来抵抗相应数目众多的核子物质的引力,而同等数量的电子与质子间的强电磁库伦力保证着白矮星的电中性。科学家对白矮星的极限质量、旋转、磁场、冷却、质量-半径关系及结构稳定性等一直十分感兴趣。楼宇庆教授在更为一般的理论框架中介绍了基于零温度自由费米子气体(包括可能的暗物质费米子)的物态方程、球对称流体静态平衡推导过程(包括牛顿引力和爱因斯坦广义相对论),阐释了体系极限质量与星半径的关系、能量密度与压力的关系、极限质量与星中心密度的关系、从非相对论到极端相对论的参数变化过程等。在各相关参数范围内,物理上合理描述物态方程至关重要。若以牛顿引力构造白矮星,在极端相对论的参数范围内,如果星体质量越来越逼近其上限,则星半径会逐渐逼近0值;而在非相对论的参数范围内,星体质量越来越小的时候,则星体积会无限膨胀。逼近极限质量,星半径趋向于0值的理论分析结果,自然会引发众多理论天体物理学家讨论及修正其相关的物理模型描述,至少应受到Schwarzschild半径(2GM/c^2)的约束。考虑密度增高时的逆β衰变(质子与电子反应形成中子并释放电子中微子),白矮星的最小半径约小于4千米。而用广义相对论考虑星体的径向扰动稳定性,则白矮星最小半径约为1千米。故零温白矮星半径不能达到0值,而是在半径足够小时,即在小径向扰动下失稳,引发白矮星的动力塌缩或膨胀爆炸。

致密天体

第一部分“致密天体”

        当物质密度不断升高时,β衰变(中子变成质子和电子及电子反中微子)与逆β衰变的平衡和电中性使得中子数比例持续增高乃至主导(总有同等数量的质子和电子)。主要靠自由中子(一种费米子)气体简并压来抵抗数目众多的中子(少量质子)物质的自身引力则形成中子星(脉冲星和磁星等),涉及的广义相对论的静力平衡方程为Tolman-Oppenheimer-Volkoff(TOV)方程。

        密度再往高升,星体内部除大量中子外则有可能出现不同的介子(由夸克和反夸克组成玻色子)或各种超子(质量超过核子的各种重子亦是费米子),超流和超导态也同样可能出现,体系满足TOV方程。常称这类星体为混合致密星。

        超高密度时,核子(中子主导)紧致挤压在一起,夸克渐近自由,几种相对小静止质量夸克(都是费米子)共存,它们的简并压之和抵抗引力达成平衡满足TOV方程。可以笼统称这类致密天体为夸克星。若星体质量超过极限质量同时半径小于极小半径,而又无其它任何力能与物质引力稳定抗衡,则终将由正常物质动力塌缩形成中心黑洞。

        类似地但是独立于上述若干系统,三种中微子因它们的质量很小可以复合或分别形成巨大的中微子致密天体。若该系统质量超过极限质量同时其半径小于极小半径,则可动力塌缩形成中心黑洞。

        若人类在宇宙间探测到的暗物质按猜想以粒子形式存在且有费米子的类型,则前述零温暗物质自由费米子气体简并压可以抵抗暗物质的引力满足TOV方程而形成稳定暗物质费米子致密天体。其极限质量、极小半径、中心密度、物态方程、质量-半径关系等均可套用,只是相关物理量的尺度需要适度调整。这里,暗物质费米子静止质量是一个极为关键的物理参数,它的宽广范围预留了多种物理可能性。譬如,若暗物质费米子静止质量相对大,则暗物质致密天体的极限质量相对小,同时其极小半径亦相对小;反之,则暗物质致密天体的极限质量相对大,同时其极小半径亦相对大。特别地,当暗物质费米子致密天体超过其极限质量或小于其极小半径,则同样可以动力形成暗物质黑洞。     

         “早期宇宙中的绝超质量黑洞预言、观测和展望”报告中,楼教授介绍了天体物理观测中波段与观测设备的布置方式,容易被大气层吸收或干扰的电磁波段,相关观测设备必须在空间运行以摆脱大气层的吸收。而不被大气层严重吸收或干扰的观测波段,观测设备和仪器在地面、地下、水下、冰下建设即可。在地球表面上不同位置组网的观测设备,可以在射电波段和毫米/亚毫米波段形成VLBI等效孔径达到几千到上万公里,从而对宇宙空间的辐射源在相关波段进行高分辨率和高灵敏度观测。接着他选择介绍了国际上黑洞研究的几代科学家及成果。通过理论分析和观测积累,我们所在的银河系中有很多黑洞的存在,包括其中心的一枚较小的超大质量黑洞;在更多的星系中心,都存在着超大质量黑洞,质量范围在几百万到几十亿太阳质量,期待这些黑洞多数是旋转的Kerr黑洞。然而这些大质量黑洞是如何在宇宙中形成的呢?若是在早期宇宙中就发现这样大质量的黑洞,则其形成问题更为尖锐。由吸积盘的物质吸积来形成大质量黑洞,太缓慢,时间尺度太长。特别是在早期宇宙中,盘吸积根本来不及形成质量很大的黑洞。因之,人们设想了大质量黑洞由众多小质量黑洞不断并合而成。然而每一次黑洞并合就会在宇宙时空中产生引力波涟漪。如此在随机点持续不断的黑洞并合就应当在宇宙时空中形成一个随机的引力波背景。然而到目前为止,国际上若干Pulsar Timing Array (PTA)的持续观测和数据分析都未发现这个假想的随机引力波背景。基于流体力学的模型分析和自相似动力演化解的构建,楼教授设想了以下物理图像。大质量黑洞的主体以准球对称塌缩吸积在物质库中心动力演化而成,物质库中的角动量分布可以导致环或盘的共生或后期形成。环或盘与黑洞的相互作用使得黑洞易于被探测到,但这不意味着黑洞的质量主体来自环或盘的物质吸积。寂寞孤独的大黑洞也可以存在。楼教授强调指出足够庞大的物质库在自引力作用下的广义多方径向流体动力塌缩,能够非常快地在宇宙包括早期宇宙间形成百万到几十亿太阳质量的超大质量黑洞,乃至百亿到超过万亿太阳质量的绝超质量黑洞。他期待JWST、LOFAR、SKA、以及地面8米到10米级以上的光学望远镜等都可以互补的方式搜索探测早期宇宙中更为稀有的绝超质量黑洞和相关巨大物质库的存在,这对理解早期宇宙有重要意义。

早期宇宙中的绝超质量黑洞预言观测和展望

       第二部分早期宇宙中的绝超质量黑洞预言、观测和展望

        “李政道教授的传奇轶事”讲座中,楼教授展示了许多与李政道先生相关的珍贵历史照片,讲述了李先生抗日战争期间少年离家的颠沛流离和坚韧不拔,在浙江大学(贵州遵义湄潭)和西南联大(云南昆明)孜孜求学,抗战胜利后西南联大的吴大猷教授于1946年在民国政府支持下特选李政道和朱光亚去美国考察原子弹项目,继而在美国求学深造研究成名等经历。由于当时李先生没有在西南联大本科毕业,密西根大学没能接收,后经尝试而有缘进入芝加哥大学学习。李政道天赋异禀学业优异,进而获得芝加哥大学物理系为他争取的校级特别奖学金。故事和照片涉及同学师友、诸多国际物理大师和诺贝尔奖得主及中国历届领导人,如:束星北,叶企孙,吴大猷,Fermi,  Chandrasekhar, 吴健雄,Segre, Oppenheimer, Steinberger, Lederman, Schwarz, 南部阳一郎, Rabi, 丁肇中,Garwin, Panofsky, 林家翘等。照片展示了李政道先生和杨振宁先生当年多产的重要科研合作、两家人的合影及诺贝尔奖的颁奖典礼。值得一提的是李政道先生和杨振宁先生因弱相互作用下宇称不守恒在1957年获得物理诺贝尔奖时都是中国国籍(持中华民国护照);李和杨的老师张文裕先生和中方外交人员专程飞赴斯德哥尔摩;瑞典是首个(1950年)与中国建交的西方国家,且在颁奖仪式上预留了中国大使的席位。

李政道传奇轶事

       第三部分李政道教授的传奇轶事

        李政道先生多年来极为关注中国的科研进展、制度建设和人才培养,提出了很多建议并具体推动实施,力排阻碍,锲而不舍。1974年李政道先生向毛泽东主席建议在中国科技大学开设少年班,建议被采纳;经过前期的小规模尝试,在李政道的倡议和推动下,1980年在全中国范围大规模开启CUSPEA项目(China-US Physics Examination and Application),教育部通过考试遴选,先后共派送近千名物理人才赴几十所美国大学研究生院深造,书写了中美物理学术交流的华丽篇章;1984年,李向邓小平建议设立博士后流动工作站,次年实施;1985年李多次致信邓小平建议创建国家自然科学基金制度;1986年,李在中国科学院建立中国高等科学技术中心,并担任主任;李先生长期推动中国高能粒子物理加速器建造(北京正负电子对撞机)。

李政道先生与CUSPEA项目

李政道先生与CUSPEA项目

        同学们对近年来Event Horizon Telescope的黑洞观测及成像原理以及黑洞是否具有稳定性等问题积极提问,与楼宇庆教授进行交流互动。

【嘉宾简介】楼宇庆教授,任职于清华大学物理系、清华天体物理中心、清华-国家天文台联合天体物理研究中心、天文系,教育部长江学者特聘教授。1977年全国高考入学,1982年北方交通大学应用数学物理系工学学士,1981年经CUSPEA项目选拔赴美国哈佛大学(Harvard University)物理系深造。1983和1987年获美国哈佛大学物理系硕士和博士学位。1986和1988年在德国海德堡大学(Universitat Heidelberg)理论天体物理所任访问科学家。1987-1989年在美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research)的高山天文台(High Altitude Observatory)和高等研究项目(Advanced Study Program)任职。1989-1991年在美国阿拉斯加大学(University of Alaska Fairbanks)地球物理研究所任职。1991-2002年在美国芝加哥大学(University of Chicago)天文和天体物理系(Department of Astronomy and Astrophysics) 任职。2002年任清华大学物理系教授,教育部长江特聘教授,担任清华大学《百人计划》天体物理项目主持人;曾用TNT 80厘米望远镜在国际上率先发现三颗超新星,这是大陆高校首次。曾在美国和中国主持科学基金研究项目,也曾在美国和中国参与高级别项目评审会议。已在国际杂志上发表一百五十多篇文章(其中包括Nature和Science),另发表会议文集文章四十多篇,在国内外做学术邀请报告二百五十多次。

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楼宇庆教授(右一)