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全宇宙最致密的物质,是一片流动的“海洋”?

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发表于 4 天前 | 显示全部楼层 |阅读模式

绘图:Foreal
  来源:环球科学微信公众号
  中子星是质量在一定范围内的恒星耗尽燃料并塌缩后留下的极端致密的残骸。它们含有宇宙中最致密的物质(黑洞不属于物质的范畴),但具体成分一直是一个未解之谜。科学家知道,在中子星内部,引力把质子和电子压缩成了中子,但却不知道这些中子是以什么样的形式存在的。它们是组合起来形成无黏滞的“超流体”,还是被进一步分解成更基本的夸克和胶子?
  当一颗质量是太阳20倍的恒星死亡之后,它会变成大小如一座城市,密度高得不可思议的天体——中子星。用NASA天体物理学家扎文·阿祖马尼安(Zaven Arzoumanian)的话说,中子星是“大多数人从未听说过的最奇异天体”,一块乒乓球大小的中子星物质,重量就超过了10亿吨。
  天文学家认为,在引力的挤压下,中子星内部的大多数质子和电子融合成了中子——它就是因此而得名的。但这并不是最终结论,天文学家从来没有近距离观察过中子星,地面实验室也无法制造出接近其密度的物质,因此,中子星内部结构仍是宇宙中的重大谜题之一。
  中子星内部含有已知引力最强的物质——再增加一点质量,它们将会变成黑洞,而后者实质上并非物质而是极端弯曲的时空。“这个临界状态是什么样子的?” 阿祖马尼安说,“这就是我们正在探索的问题。”
  为了解答这个问题,研究者提出了若干个相互竞争的理论:
一些理论认为,中子星里面确实都是中子,可能还有少量质子。
而其他理论提出,中子星里面的物质状态比这更奇怪。或许中子星内部的中子被分解成了更基本的粒子,即夸克和胶子,它们在自由粒子的海洋中无拘无束地游动着。
还有一种可能是,这些天体由更奇特的物质构成,比如超子。超子是一种奇异的粒子,不仅由“上”和“下”夸克(原子中的夸克)构成,还包含了更重的 “奇异”夸克。
  因为我们不能把中子星切开看看里面有什么,所以没有一个简单的方法来判断这些理论哪个才是正确的。尽管如此,科学家还是取得了一些进展。一个重大突破出现于2017年8月,研究者通过地面实验探测到了两颗中子星正面相撞产生的引力波。引力波是大质量物体加速运动时产生的时空波动,这次检测到的引力波携带了两颗发生碰撞的中子星的质量和大小等重要信息,利用这些信息,科学家就可以进一步确定中子星的性质和内部成分。
  2017年6月开始在国际空间站上运行的中子星内部成分探测器(NICER)也在帮助科学家搜集线索。NICER监视的是脉冲星这种具有强磁场并快速自转的中子星。脉冲星发射出的光束会不断扫过星际空间,当地球处于光束扫过的区域时,我们就会看见脉冲星在以高得令人震惊的频率“眨眼睛”,最快1秒能闪烁700多次。通过这些实验,科学家有望弄清中子星里面到底是什么。如果真能实现这个目标,我们不但可以更好地认识这类怪异天体,还能了解极端条件下的物质和引力。
  超流海洋
  恒星在核心耗尽燃料而停止产生能量时,可能会发生超新星爆发,中子星就是从这种灾难性的爆发中锻造出来的。突然没有了对手的引力会像活塞一样锤击恒星,吹散外面的包层,击碎核心。处于这个阶段的恒星,其核心主要是铁构成的。强大的引力可以压碎原子,将电子挤进原子核使它们和质子融合产生中子。“来自四面八方的压力将铁压缩了10万倍,”圣路易斯华盛顿大学的物理学家马克·奥尔福德(Mark Alford)说,“直径十分之一纳米的原子变成了直径几飞米的中子。”这就像是把地球压缩成一个街区的大小。当恒星停止塌缩后,内部的中子数量大概是质子的20倍。
  物理学家认为,中子星的质量大约是太阳的1~2.5倍,可能有至少三层结构。最外层是由氢和氦组成的气态“大气”,厚度为几厘米到几米。这层大气漂浮在厚度约1千米、由原子核构成的外“壳层”之上。在这一层中,原子核排列成晶格结构,电子和中子充斥于其间。最里面的第三层包含了中子星的大部分质量,其具体成分仍是个谜。这里的原子核挤在一起,几乎没有剩余空间,达到了核物理能允许的最高密度。越靠近中子星的核心,每个原子核内的中子数就越多。在某处,原子核将无法容纳更多的中子,这时中子会溢出,此时再也没有原子核了,只有核子(即质子和中子)。最终,在中子星最深处,这些粒子也可能被分解。


  “对这种异常高压和高密度状态下的物质,我们的认识还处于假说阶段。” 奥尔福德说,“我们认为,中子实际上可能已经被压碎了并互相重叠,所以你无法将它看成中子流体,而是应该称其为夸克流体。”
  这种流体具体是什么形式的,仍是个没有定论的问题。一种可能是,夸克形成了“超流体”,这样的流体没有黏性,理论上一旦运动起来就永远不会停下来。中子星内部出现这种离奇的物质状态是可能的,因为夸克之间的关联性使得它们在足够靠近时可能形成束缚的“库珀对”。
  夸克本身是费米子——其自旋量子数是半整数。当两个夸克配对后,它们整体表现为玻色子——其自旋为整数。这一转变意味着粒子将遵循新的规律。费米子服从泡利不相容原理,即两个相同的费米子不能占据相同的状态——但是玻色子不受这样的限制。在拥挤的中子星内部,作为费米子,夸克不得不具有越来越高的能量以便占据比其他夸克更高的能级。然而,变成玻色子之后,它们可以全部待在能量最低的状态。当夸克对处于这种状态时,就形成了超流体。


  在密度最高的核心区域之外,中子还保持完整状态,它们也可以配对形成超流体。实际上,科学家确信中子星的壳层有超流体,证据来自于脉冲星的“周期跃变”,即中子星的自转突然在一段时间内变快。中子星的自转会自然地变慢,而流动时不受摩擦力作用的超流体却不会变慢。当两者自转速度的差异变得太大时,超流体会将角动量转移到壳层。“就像是地震,” 纽约州立大学石溪分校的天文学家詹姆斯·拉蒂默(James Lattimer)说,“中子星打了个嗝,突然释放出一些能量,自转频率短时间内增加,然后又恢复。”
  2011年,拉蒂默和同事声称,他们找到了中子星核心存在超流体的证据,但他承认这还存在争议。拉蒂默的团队在墨西哥国立自治大学的达尼·帕日(Dany Page)的领导下,研究了仙后座A的X射线观测数据。他们发现,星云中心的脉冲星冷却速度要比传统理论预期的更快。一种解释是,中子星内部的一些中子两两配对成为超流体,中子对散开又重新结成时会发出中微子,使得中子星失去能量而冷却。


  仙后座A是古代超新星的遗迹,其中心有一颗中子星。有迹象表明这颗中子星的核心是“超流体”。
  诡异的夸克
  超流体仅仅是中子星神秘大门背后隐藏的一种可能性。中子星还可能是稀有的“奇异夸克”之家。
  夸克有六种类型,或者更确切地说是有六种味道——上、下、粲、奇异、顶、底。原子中仅存在上和下这两味最轻的。其余的味道质量太大而不稳定,所以它们往往仅在粒子加速器(例如大型强子对撞机)的高能粒子碰撞实验中短暂出现。但是在极端致密的中子星内部,中子内的上、下夸克可能有一些会转变成奇异夸克(其余的罕见味道——粲、顶、底夸克由于质量太大,即使在这里也不大可能形成)。如果奇异夸克出现并且与其他夸克束缚在一起,会形成中子的“变异体”——超子。也可能这些夸克根本没有组成其他粒子,而是自由地漫游在“夸克汤”之中。


  每一种可能的物质状态都会显著地影响中子星的大小。用阿祖马尼安的话说,中子“就像弹珠,构成一个坚硬的固态核心”。固态核心会撑起外层,使中子星变得大一些。另一方面,如果这些中子分解成了一锅夸克胶子汤,就会构成一个“较软的、糊状”的核心,中子星的半径也会变小。NICER实验的目的就是确定哪个解释是正确的。阿祖马尼安是该项目的首席研究员之一,主管科学事务,他说 :“NICER的关键目标之一是测量中子星的质量和半径,以此帮助我们选择或排除关于致密物质的某些理论。”
  NICER是一个洗衣机大小的盒子,安装在国际空间站外部。它持续地监视天空中的数十颗脉冲星,探测从它们发出的X射线光子。NICER能探测光子的能量和达到时间,还有光线在中子星引力场作用下的弯曲程度,从而帮助科学家计算这些脉冲星的质量和半径,并进行比较。


NICER工作示意图(图片来源:NASA‘s Goddard Space Flight Center)
  测量中子星的半径可以有效地精简有关中子星内部物质状态的候选理论。科学家曾经认为中子星内部一半的中子会转变为含有奇异夸克的超子。理论计算表明,这种富含超子的中子星无法超过1.5倍太阳质量。然而在2010年,由美国国家射电天文台的保罗·德莫雷斯特(Paul Demorest)领导的天文学家测量到一颗中子星有1.97倍太阳质量,这一发现排除了许多关于中子星内部的理论。现在物理学家估计中子星内部的超子含量不会多于10%。
  碰撞现场
  研究单个的中子星让我们收获颇多,但研究两颗中子星的碰撞更有价值。多年来,天文学家通过望远镜观测到了一些名为伽马射线暴的强烈闪光现象,他们一直怀疑这类事件源自两颗中子星的碰撞。而通过2017年8月探测到的引力波,天文学家终于看到了第一例中子星并合。
  2017年8月17日,两个实验组——激光干涉引力波天文台(LIGO)和欧洲的Virgo——同时探测到了两颗中子星相互旋进,然后并合成一颗中子星或黑洞时产生的引力涟漪。这并不是科学家第一次探测到引力波,但之前的引力波都来自两颗黑洞的碰撞。不但如此,这次在探测到引力波的同时,科学家也利用望远镜观测到了来自天空同一个位置的电磁波。电磁波和引力波加在一起,提供了有关碰撞发生的位置和过程的大量信息,对研究中子星物理大有益处。
  天体物理学家追踪引力波找到了距离地球1.3亿光年的一对中子星。引力波的细节,即频率、强度以及模式随时间的变化,能让研究人员估算出碰撞前两颗星的质量大概是太阳的1.4倍,半径是11~12千米。这些信息可以帮助科学家构建出一个描述中子星本质的关键方程,即状态方程。这种方程描述了物质在不同压强和温度下的密度,应当适用于宇宙中所有的中子星。
  对应不同的中子星内部物态,理论学家已经提出了若干可能的状态方程,而新的观测可以排除其中的一些。例如,这次观测发现中子星的半径相对较小,让人颇感意外。如果试图用相同的状态方程描述这些致密中子星和已知的大质量中子星(例如1.97倍太阳质量的庞然大物),一些理论就会陷入困境。
  物质的极限
  如能提升引力波探测器的灵敏度,我们会得到巨大的回报。例如,有一种检验中子星物态的方法是寻找内部旋转流体发出的引力波。如果流体的黏性很低或者为零——就像超流体那样——它会以一种名为r模式的特殊方式流动,并发出引力波。“这种引力波比并合发出的引力波弱得多。” 奥尔福德说,“物质在静静地晃动而不是被撕裂开。” 奥尔福德和他的合作者确定,目前运行的先进LIGO探测器无法看到这类引力波,但未来LIGO的升级版以及一些筹划中的天文台,例如欧洲考虑建设的地面爱因斯坦望远镜,是可能看到的。
  破解中子星谜题可以帮助我们认识处在难以理解的极端状况下的物质。这种物质与构成我们世界的原子差异极大,能扩展我们的认知疆界。它可能将一些奇思妙想变成现实,比如流体般晃荡的夸克物质、超流中子和异乎寻常的超子星。而且,理解中子星还有更大的意义:物理学家更深层的目标是利用这些致密恒星来解决更重要的未知问题,例如支配原子核内相互作用的定律,以及物理学最大的未解之谜——引力的本质。
  中子星仅仅是研究核力的一种方式,世界各地的粒子加速器也在做这类研究,后者可以像显微镜那样窥探原子核内部。当多数核物理问题被解决后,科学家就可以将重点转向引力。“中子星融合了引力物理和核物理,”麻省理工学院的奥尔·亨(Or Hen)说,“现在我们正把中子星用作实验室来研究核物理。由于我们可以利用地球上的原子核,我们有望最终将核物理方面的问题研究得非常透彻。然后我们就可以利用中子星去研究引力,这也是最具挑战性的物理问题之一。”
  我们目前的引力理论是爱因斯坦的广义相对论,它与量子力学难以相容。这两个理论终有一个要做出让步,而物理学家不知道是哪一个。“我们会知道的,” 亨说,“这样的前景令人兴奋不已。”
  撰文:克拉拉·莫斯科维茨(Clara Moskowitz),《科学美国人》资深编辑
  翻译:来小禹,北京大学物理学院天文系博士
  审校:徐仁新,北京大学物理学院天文系教授
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