)作者：冯骅，清华大学工程物理系与天体物理中心
审校：张双南，中科院高能物理研究所
最近，欧洲一组科学家在英国《皇家天文学会月报》上发表了一篇有趣的论文，在观测了一个外号为“七剑客 (Magnificent Seven)”的中子星后，声称第一次发现了量子电动力学预言的真空双折射现象：在强磁下的作用下，真空会表现得像双折射晶体一样，使得光子的偏振在传播过程中产生改变。
所以这说明了啥？我们先从中子星说起。
有趣的中子星
大质量恒星演化到晚期会通过核燃烧累积一个巨大的铁核，而这个铁核达到一定质量之后，因为压力过大，将不可避免地产生坍缩，同时产生剧烈的伽马射线暴和超新星爆发。某些情况下，这样的核坍缩会形成一个中子星。早在1934年，天文学家Walter Baade 和Fritz Zwicky就预言了这种机制的存在。
中子星，顾名思义就是由中子物质组成的极致密的星体。但事实上，中子星的内部结构究竟是怎么样的，物质在极端压力下的状态是什么样的，仍然是天体物理和核物理中的未解难题，也是今天和将来科学家们努力工作的方向。
中子星的密度有多高呢？天文学测量告诉我们，中子星的质量和太阳差不多，半径却只有大概10 公里左右。太阳的半径约为70万公里，太阳的平均密度 (1.4 g cm-3) 和水接近。两个质量相同的星体，它们的密度和半径的3次方成反比。因此，中子星的密度是
试想一下，原子的大部分质量集中在原子核，但大部分空间却被电子占据。如果你能想办法把电子压进原子核，变成一堆紧密排列的中子，这密度该有多大啊！
就像其他天文学发现一样，中子星的发现也是一个意外。1967年，当时剑桥大学的研究生Jocelyn Bell负责运行一架新的射电望远镜并处理数据。望远镜每天产生30米的记录资料，需要用肉眼来分析和识别信号。
两个月后，Bell注意到纸上有个不寻常的周期信号，经过不懈地重复观测和谨慎排查，最终确认信号来自宇宙空间。这就是脉冲星，宇宙中的灯塔。由于Bell是一名学生，还是一名女生，这两个因素导致这么重要的发现最终是她的导师获得了诺贝尔物理学奖，成为天文史上的遗憾。
脉冲星的发现者Jocelyn Bell
其实，这里发现的脉冲星，就是中子星。
为什么说这些脉冲星是中子星呢？我们来做一些简单的计算。脉冲星表面的离心力不能超过引力，否则脉冲星就会瓦解。这样，利用简单的牛顿万有引力定律和离心力的公式，就可以得到脉冲星的密度 (ρ) 和周期 (P) 的关系为
ρ > 3π/P2G，这里G是万有引力常数。
著名的蟹状星云中的脉冲星周期是33毫秒，带入上式，得到密度的下限是10的11次方 g cm-3，远大于白矮星的密度，所以只可能是中子星。目前已知的转动最快的脉冲星的周期接近1毫秒，因此密度的下限接近10的13次方 g cm-3，很接近我们前面的估算结果。
中子星不仅密度大，磁场还非常强，正是其超强的磁场才导致了本文开始提到的真空双折射现象。我们再拿太阳做个例子。如果你能把太阳压缩成一个中子星（自然情况下，我们的太阳只会变成白矮星，不会变成中子星），磁通量守恒意味着星体表面的磁力线会被压缩得密密麻麻地：
太阳表面的磁场强度约为100高斯，半径变化了70,000倍，那么可以推出中子星表面的磁场强度约为10的12次方高斯。事实上，很多已经知道的中子星的磁场就是这么强，而且有的中子星的磁场更是高达10的14次方高斯。这么强的磁场会产生什么奇特的现象呢？
这就要说到真空双折射效应了。
真空双折射效应
量子力学的不确定原理要求，物理的真空不能保持不变，也就是必须处于片刻不停的涨落中，这些涨落就是不停地产生虚粒子对，也就是瞬间产生一对正反粒子，这一对正反粒子又瞬间湮灭把能量还回去，从而整体上真空维持平均能量为零的状态。
著名的霍金辐射就是真空涨落发生在黑洞附近时发生的，虚粒子对中的一个进入黑洞，另外一个无法找到其伴侣湮灭，只能逃出去，从远处看来就好像黑洞在产生辐射。
如果磁场强到了可以跟真空涨落产生的虚粒子对（比如正负电子对）产生显著的作用，就会影响真空的性质，使得真空像晶体那样具有双折射效应，从而影响光子在真空中的传播。
由于中子星附近的磁场是宇宙中已知最强的磁场（比如目前人造最强的磁场也只有约10的6次方高斯，比中子星表面的磁场弱大约百万倍），所以磁场导致的真空双折射效应在中子星附近最显著。
电磁波是交替振动向前传播的电场和磁场。电磁波中电场振动方向称为偏振方向。
双折射效应是某些晶体的特有属性。光子是电场和磁场交替振动的电磁波，其电场振动方向是光子的偏振方向。双折射晶体有个特定的方向，偏振方向平行和垂直于这个特定方向的光子在晶体里的运动速度不一样，结果导致了光子在晶体内传播时偏振方向会改变。
双折射晶体最常见的应用就是液晶显示屏。如下面所示，液晶屏由两片垂直的偏振片组成，在不加电的情况下，中间的液晶表现出双折射效应，光的偏振方向旋转90度，此时像素是亮的。加电之后，晶体双折射效应消失，光的偏振方向不变，此时像素变暗。
液晶屏工作原理：通过控制光的偏振方向从而控制像素的明和暗。
中子星“七剑客”
中子星刚形成时，表面温度很高，然后随着黑体辐射渐渐降温。在德国的伦琴X射线望远镜 (ROSAT) 巡天时，发现了7个孤立的中子星，表面温度在几十万度左右，被天文学家戏称为“七剑客”。
七剑客表现出一个接近完美（还是有点儿瑕疵，此处按下不表）的黑体辐射，峰值在软X射线波段。这些辐射来自于中子星的表面一层薄薄的大气层里。在高温的作用下，大气层中的物质被电离成等离子体，由于强磁场的存在，等离子体中的电子只能沿着磁力线运动，否则强大的洛伦兹力会把它拽回来。就像下面的儿童玩具一样，珠子好比是电子，只能沿着“磁力线”运动。
强磁场中的等离子体被极化，电子只能沿着磁力线运动，就像这个儿童玩具一样。
强磁场把电子变成了一排排顺着磁场排列的“糖葫芦串”，光子很难在垂直于磁场方向把糖葫芦掰下来。导致的结果就是，偏振方向垂直于磁场的光子可以自由穿过等离子体而不与电子发生作用（吃不到糖葫芦），而偏振方向顺着磁场方向的光子就会像平常一样被散射（能吃上糖葫芦）。
最终，这种强磁场的等离子就变成了一个偏振滤镜，使得出射的光子具有高度线偏振，而偏振方向垂直于当地磁场。中子星表面的热辐射来自于大气层中，深处的辐射温度高、辐射功率高，但只有偏振方向垂直于当地磁场的光子才能透出。因此，在强磁场的作用下，中子星表面局部区域都表现出几乎百分之百的线偏振。
虽然局部是接近百分之百的线偏振，但由于表面的磁场向各个方向分布的都有，如果中子星的磁场只局限在表面上，观测者看到的就是来自表面各个区域的辐射的叠加。两束流强一样偏振方向垂直的光束叠加后总体偏振度为零，所以，中子星表面热辐射的整体的偏振度并不会特别高。
好在中子星的磁场类似偶极磁场，可以延伸到非常远的真空区域。如前所述，和晶体的双折射效应类似，强磁场下的真空也会影响光子的传播，导致光子在传播过程中偏振方向发生旋转。磁场怎么转，偏振就怎么转，直到距离中子星很远的地方，磁场强度不足够强了，上述效应可以忽略不计了，偏振才会固化下来向前传播。
左图：中子星的偶极磁场示意图。中图：中子星表面磁场方向的分布，各个方向都有。右图：在距离中子星较远的某个视线方向上，磁场分布比较均匀。
这个效应会产生一个有趣的观测现象：我们看到的偏振不是由中子星表面的磁场分布决定的，而是由距离中子星较远的一个位置上的磁场分布决定的，而在遥远的距离上，视线方向的磁场的分布很均匀，所看到的偏振度当然就很高。
“七剑客”与真空双折射的证实
欧洲的天体物理学家们终于利用观测证实了这一点。他们测量了“七剑客”中最亮的一个源的光学偏振，获得了较高的偏振度。通过理论计算，如果没有上述真空双折射效应，预期的偏振度会低得多。所以这次观测验证了理论预言的强磁场下真空的性质类似于某些晶体。
真空真的不空！
X射线时变和偏振探测卫星 (XTP) 是我国预研中的未来X射线望远镜，将具有很强的X射线偏振观测能力，对理解黑洞和中子星等天体的物理机制有很大帮助。
实际上，这些源的辐射峰值在软X射线波段，所以软X射线的偏振仪是更合适的观测工具，测量结果能够更加精确地和理论模型进行比较。
但是，由于X射线波长极短，X射线偏振测量是极其困难的事情。经过了多年的研究和发展，目前新型的X射线偏振探测技术在实验室已经成熟，有望在我国未来的天文观测中获得应用。
（编辑：Jerrusalem、Steed；排版：Sol_阳阳）
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中子星七剑客(Magnificent Seven)的另一个中文名
荒野七雄
……
这么帅气的荒野七雄，你都不赞一下再走？
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