繪圖：Foreal

來(lái)歷：舉世科學(xué)微信大眾號(hào)

中子星是質(zhì)量在必定范圍內(nèi)的恒星耗盡燃料并塌縮后留下的極點(diǎn)細(xì)密的殘骸。它們含有國(guó)際中最細(xì)密的物質(zhì)（黑洞不屬于物質(zhì)的領(lǐng)域），但詳細(xì)成分一向是一個(gè)未解之謎?？茖W(xué)家知道，在中子星內(nèi)部，引力把質(zhì)子和電子緊縮成了中子，但卻不知道這些中子是以什么樣的方法存在的。它們是組合起來(lái)構(gòu)成無(wú)黏滯的“超流體”，仍是被進(jìn)一步分化成更底子的夸克和膠子？

當(dāng)一顆質(zhì)量是太陽(yáng)20倍的恒星逝世之后，它會(huì)變成巨細(xì)如一座城市，密度高得難以想象的天體——中子星。用NASA天體物理學(xué)家扎文·阿祖馬尼安（Zaven Arzoumanian）的話說(shuō)，中子星是“大大都人從未聽(tīng)說(shuō)過(guò)的最獨(dú)特天體”，一塊乒乓球巨細(xì)的中子星物質(zhì)，分量就超越了10億噸。

天文學(xué)家以為，在引力的擠壓下，中子星內(nèi)部的大大都質(zhì)子和電子交融成了中子——它便是因而而得名的。但這并不是終究結(jié)論，天文學(xué)家從來(lái)沒(méi)有近間隔調(diào)查過(guò)中子星，地上試驗(yàn)室也無(wú)法制造出挨近其密度的物質(zhì)，因而，中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍是國(guó)際中的嚴(yán)重謎題之一。

中子星內(nèi)部含有已知引力最強(qiáng)的物質(zhì)——再添加一點(diǎn)質(zhì)量，它們將會(huì)變成黑洞，而后者實(shí)質(zhì)上并非物質(zhì)而是極點(diǎn)曲折的時(shí)空。“這個(gè)臨界情況是什么姿態(tài)的？” 阿祖馬尼安說(shuō)，“這便是咱們正在探究的問(wèn)題?！?/p>

為了回答這個(gè)問(wèn)題，研討者提出了若干個(gè)彼此競(jìng)爭(zhēng)的理論：

一些理論以為，中子星里邊的確都是中子，或許還有少數(shù)質(zhì)子。

而其他理論提出，中子星里邊的物質(zhì)情況比這更古怪?；蛟S中子星內(nèi)部的中子被分化成了更底子的粒子，即夸克和膠子，它們?cè)谧栽诹Ｗ拥暮Ｑ笾凶杂勺栽诘赜蝿?dòng)著。

還有一種或許是，這些天體由更獨(dú)特的物質(zhì)構(gòu)成，比方超子。超子是一種獨(dú)特的粒子，不只由“上”和“下”夸克（原子中的夸克）構(gòu)成，還包含了更重的 “獨(dú)特”夸克。

因?yàn)樵蹅儾荒馨阎凶有乔虚_看看里邊有什么，所以沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)略的辦法來(lái)判別這些理論哪個(gè)才是正確的。盡管如此，科學(xué)家仍是取得了一些發(fā)展。一個(gè)嚴(yán)重突破呈現(xiàn)于2017年8月，研討者經(jīng)過(guò)地上試驗(yàn)勘探到了兩顆中子星正面相撞發(fā)作的引力波。引力波是大質(zhì)量物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)作的時(shí)空動(dòng)搖，這次檢測(cè)到的引力波攜帶了兩顆發(fā)作磕碰的中子星的質(zhì)量和巨細(xì)等重要信息，使用這些信息，科學(xué)家就能夠進(jìn)一步確認(rèn)中子星的性質(zhì)和內(nèi)部成分。

2017年6月開端在國(guó)際空間站上運(yùn)轉(zhuǎn)的中子星內(nèi)部成分勘探器（NICER）也在協(xié)助科學(xué)家收集頭緒。NICER監(jiān)督的是脈沖星這種具有強(qiáng)磁場(chǎng)并快速自轉(zhuǎn)的中子星。脈沖星發(fā)射出的光束會(huì)不斷掃過(guò)星際空間，當(dāng)?shù)厍蛱幱诠馐鴴哌^(guò)的區(qū)域時(shí)，咱們就會(huì)看見(jiàn)脈沖星在以高得令人震驚的頻率“眨眼睛”，最快1秒能閃耀700屢次。經(jīng)過(guò)這些試驗(yàn)，科學(xué)家有望澄清中子星里邊究竟是什么。假如真能完成這個(gè)方針，咱們不光能夠更好地知道這類奇怪天體，還能了解極點(diǎn)條件下的物質(zhì)和引力。

超流海洋

恒星在中心耗盡燃料而中止發(fā)作能量時(shí)，或許會(huì)發(fā)作超新星迸發(fā)，中子星便是從這種災(zāi)難性的迸發(fā)中鑄造出來(lái)的。忽然沒(méi)有了對(duì)手的引力會(huì)像活塞相同錘擊恒星，吹散外面的包層，擊碎中心。處于這個(gè)階段的恒星，其間心主要是鐵構(gòu)成的。強(qiáng)壯的引力能夠壓碎原子，將電子擠進(jìn)原子核使它們和質(zhì)子交融發(fā)作中子。“來(lái)自五湖四海的壓力將鐵緊縮了10萬(wàn)倍，”圣路易斯華盛頓大學(xué)的物理學(xué)家馬克·奧爾福德（Mark Alford）說(shuō)，“直徑十分之一納米的原子變成了直徑幾飛米的中子。”這就像是把地球緊縮成一個(gè)街區(qū)的巨細(xì)。當(dāng)恒星中止塌縮后，內(nèi)部的中子數(shù)量大概是質(zhì)子的20倍。

物理學(xué)家以為，中子星的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的1~2.5倍，或許有至少三層結(jié)構(gòu)。最外層是由氫和氦組成的氣態(tài)“大氣”，厚度為幾厘米到幾米。這層大氣漂浮在厚度約1千米、由原子核構(gòu)成的外“殼層”之上。在這一層中，原子核排列成晶格結(jié)構(gòu)，電子和中子充滿于其間。最里邊的第三層包含了中子星的大部分質(zhì)量，其詳細(xì)成分仍是個(gè)謎。這兒的原子核擠在一同，幾乎沒(méi)有剩下空間，到達(dá)了核物理能答應(yīng)的最高密度。越接近中子星的中心，每個(gè)原子核內(nèi)的中子數(shù)就越多。在某處，原子核將無(wú)法包容更多的中子，這時(shí)中子會(huì)溢出，此刻再也沒(méi)有原子核了，只要核子（即質(zhì)子和中子）。終究，在中子星最深處，這些粒子也或許被分化。

“對(duì)這種反常高壓和高密度情況下的物質(zhì)，咱們的知道還處于假說(shuō)階段。” 奧爾福德說(shuō)，“咱們以為，中子實(shí)際上或許現(xiàn)已被壓碎了并彼此堆疊，所以你無(wú)法將它當(dāng)作中子流體，而是應(yīng)該稱其為夸克流體?！?/p>

這種流體詳細(xì)是什么方法的，仍是個(gè)沒(méi)有結(jié)論的問(wèn)題。一種或許是，夸克構(gòu)成了“超流體”，這樣的流體沒(méi)有黏性，理論上一旦運(yùn)動(dòng)起來(lái)就永久不會(huì)停下來(lái)。中子星內(nèi)部呈現(xiàn)這種古怪的物質(zhì)情況是或許的，因?yàn)榭淇酥g的關(guān)聯(lián)性使得它們?cè)跐M足接近時(shí)或許構(gòu)成捆綁的“庫(kù)珀對(duì)”。

夸克自身是費(fèi)米子——其自旋量子數(shù)是半整數(shù)。當(dāng)兩個(gè)夸克配對(duì)后，它們?nèi)w表現(xiàn)為玻色子——其自旋為整數(shù)。這一改變意味著粒子將遵從新的規(guī)則。費(fèi)米子遵守泡利不相容原理，即兩個(gè)相同的費(fèi)米子不能占有相同的情況——可是玻色子不受這樣的約束。在擁堵的中子星內(nèi)部，作為費(fèi)米子，夸克不得不具有越來(lái)越高的能量以便占有比其他夸克更高的能級(jí)。但是，變成玻色子之后，它們能夠悉數(shù)待在能量最低的情況。當(dāng)夸克對(duì)處于這種情況時(shí)，就構(gòu)成了超流體。

在密度最高的中心區(qū)域之外，中子還堅(jiān)持完好情況，它們也能夠配對(duì)構(gòu)成超流體。實(shí)際上，科學(xué)家堅(jiān)信中子星的殼層有超流體，依據(jù)來(lái)自于脈沖星的“周期躍變”，即中子星的自轉(zhuǎn)忽然在一段時(shí)刻內(nèi)變快。中子星的自轉(zhuǎn)會(huì)自然地變慢，而活動(dòng)時(shí)不受摩擦力效果的超流體卻不會(huì)變慢。當(dāng)兩者自轉(zhuǎn)速度的差異變得太大時(shí)，超流體會(huì)將角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到殼層?！熬拖袷堑卣?，” 紐約州立大學(xué)石溪分校的天文學(xué)家詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer）說(shuō)，“中子星打了個(gè)嗝，忽然釋放出一些能量，自轉(zhuǎn)頻率短時(shí)刻內(nèi)添加，然后又康復(fù)?！?/p>

2011年，拉蒂默和搭檔宣稱，他們找到了中子星中心存在超流體的依據(jù)，但他供認(rèn)這還存在爭(zhēng)議。拉蒂默的團(tuán)隊(duì)在墨西哥國(guó)立自治大學(xué)的達(dá)尼·帕日（Dany Page）的領(lǐng)導(dǎo)下，研討了仙后座A的X射線觀測(cè)數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，星云中心的脈沖星冷卻速度要比傳統(tǒng)理論預(yù)期的更快。一種解說(shuō)是，中子星內(nèi)部的一些中子兩兩配對(duì)成為超流體，中子對(duì)散開又從頭結(jié)成時(shí)會(huì)宣布中微子，使得中子星失掉能量而冷卻。

仙后座A是古代超新星的遺址，其間心有一顆中子星。有痕跡標(biāo)明這顆中子星的中心是“超流體”。

怪異的夸克

超流體僅僅是中子星奧秘大門背面躲藏的一種或許性。中子星還或許是稀有的“獨(dú)特夸克”之家。

夸克有六種類型，或許更切當(dāng)?shù)卣f(shuō)是有六種滋味——上、下、粲、獨(dú)特、頂、底。原子中僅存在上和下這兩味最輕的。其他的滋味質(zhì)量太大而不穩(wěn)定，所以它們往往僅在粒子加速器（例如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）的高能粒子磕碰試驗(yàn)中時(shí)刻短呈現(xiàn)。可是在極點(diǎn)細(xì)密的中子星內(nèi)部，中子內(nèi)的上、下夸克或許有一些會(huì)改變成獨(dú)特夸克（其他的稀有滋味——粲、頂、底夸克因?yàn)橘|(zhì)量太大，即便在這兒也不大或許構(gòu)成）。假如獨(dú)特夸克呈現(xiàn)并且與其他夸克捆綁在一同，會(huì)構(gòu)成中子的“變異體”——超子。也或許這些夸克底子沒(méi)有組成其他粒子，而是自在地周游在“夸克湯”之中。

每一種或許的物質(zhì)情況都會(huì)顯著地影響中子星的巨細(xì)。用阿祖馬尼安的話說(shuō)，中子“就像彈珠，構(gòu)成一個(gè)堅(jiān)固的固態(tài)中心”。固態(tài)中心會(huì)撐起外層，使中子星變得大一些。另一方面，假如這些中子分化成了一鍋夸克膠子湯，就會(huì)構(gòu)成一個(gè)“較軟的、糊狀”的中心，中子星的半徑也會(huì)變小。NICER試驗(yàn)的意圖便是確認(rèn)哪個(gè)解說(shuō)是正確的。阿祖馬尼安是該項(xiàng)意圖首席研討員之一，主管科學(xué)業(yè)務(wù)，他說(shuō) ：“NICER的要害方針之一是丈量中子星的質(zhì)量和半徑，以此協(xié)助咱們挑選或掃除關(guān)于細(xì)密物質(zhì)的某些理論?！?/p>

NICER是一個(gè)洗衣機(jī)巨細(xì)的盒子，安裝在國(guó)際空間站外部。它繼續(xù)地監(jiān)督天空中的數(shù)十顆脈沖星，勘探從它們宣布的X射線光子。NICER能勘探光子的能量和到達(dá)時(shí)刻，還有光線在中子星引力場(chǎng)效果下的曲折程度，然后協(xié)助科學(xué)家核算這些脈沖星的質(zhì)量和半徑，并進(jìn)行比較。

NICER作業(yè)示意圖（圖片來(lái)歷：NASA‘s Goddard Space Flight Center）

丈量中子星的半徑能夠有效地精簡(jiǎn)有關(guān)中子星內(nèi)部物質(zhì)情況的候選理論?？茖W(xué)家從前以為中子星內(nèi)部一半的中子會(huì)改變?yōu)楹歇?dú)特夸克的超子。理論核算標(biāo)明，這種富含超子的中子星無(wú)法超越1.5倍太陽(yáng)質(zhì)量。但是在2010年，由美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)的保羅·德莫雷斯特（Paul Demorest）領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)家丈量到一顆中子星有1.97倍太陽(yáng)質(zhì)量，這一發(fā)現(xiàn)掃除了許多關(guān)于中子星內(nèi)部的理論?，F(xiàn)在物理學(xué)家估量中子星內(nèi)部的超子含量不會(huì)多于10%。

磕碰現(xiàn)場(chǎng)

研討單個(gè)的中子星讓咱們收成頗多，但研討兩顆中子星的磕碰更有價(jià)值。多年來(lái)，天文學(xué)家經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了一些名為伽馬射線暴的激烈亮光現(xiàn)象，他們一向置疑這類事情源自兩顆中子星的磕碰。而經(jīng)過(guò)2017年8月勘探到的引力波，天文學(xué)家總算看到了榜首例中子星并合。

2017年8月17日，兩個(gè)試驗(yàn)組——激光干與引力波天文臺(tái)（LIGO）和歐洲的Virgo——一起勘探到了兩顆中子星彼此旋進(jìn)，然后并組成一顆中子星或黑洞時(shí)發(fā)作的引力漣漪。這并不是科學(xué)家榜首次勘探到引力波，但之前的引力波都來(lái)自兩顆黑洞的磕碰。不光如此，這次在勘探到引力波的一起，科學(xué)家也使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了來(lái)自天空同一個(gè)方位的電磁波。電磁波和引力波加在一同，供給了有關(guān)磕碰發(fā)作的方位和進(jìn)程的很多信息，對(duì)研討中子星物理大有益處。

天體物理學(xué)家追尋引力波找到了間隔地球1.3億光年的一對(duì)中子星。引力波的細(xì)節(jié)，即頻率、強(qiáng)度以及形式隨時(shí)刻的改變，能讓研討人員估算出磕碰前兩顆星的質(zhì)量大概是太陽(yáng)的1.4倍，半徑是11~12千米。這些信息能夠協(xié)助科學(xué)家構(gòu)建出一個(gè)描繪中子星實(shí)質(zhì)的要害方程，即情況方程。這種方程描繪了物質(zhì)在不同壓強(qiáng)和溫度下的密度，應(yīng)當(dāng)適用于國(guó)際中所有的中子星。

對(duì)應(yīng)不同的中子星內(nèi)部物態(tài)，理論學(xué)家現(xiàn)已提出了若干或許的情況方程，而新的觀測(cè)能夠掃除其間的一些。例如，這次觀測(cè)發(fā)現(xiàn)中子星的半徑相對(duì)較小，讓人頗感意外。假如試圖用相同的情況方程描繪這些細(xì)密中子星和已知的大質(zhì)量中子星（例如1.97倍太陽(yáng)質(zhì)量的龐然大物），一些理論就會(huì)陷入困境。

物質(zhì)的極限

如能提高引力波勘探器的靈敏度，咱們會(huì)得到巨大的報(bào)答。例如，有一種查驗(yàn)中子星物態(tài)的辦法是尋覓內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流體宣布的引力波。假如流體的黏性很低或許為零——就像超流體那樣——它會(huì)以一種名為r形式的特別方法活動(dòng)，并宣布引力波?！斑@種引力波比并合宣布的引力波弱得多?！?奧爾福德說(shuō)，“物質(zhì)在靜靜地晃動(dòng)而不是被撕裂開?！?奧爾福德和他的合作者確認(rèn)，現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)的先進(jìn)LIGO勘探器無(wú)法看到這類引力波，但未來(lái)LIGO的升級(jí)版以及一些謀劃中的天文臺(tái)，例如歐洲考慮建造的地上愛(ài)因斯坦望遠(yuǎn)鏡，是或許看到的。

破解中子星謎題能夠協(xié)助咱們知道處在難以了解的極點(diǎn)情況下的物質(zhì)。這種物質(zhì)與構(gòu)成咱們國(guó)際的原子差異極大，能擴(kuò)展咱們的認(rèn)知疆界。它或許將一些奇思妙想變成實(shí)際，比方流體般閑逛的夸克物質(zhì)、超流中子和與眾不同的超子星。并且，了解中子星還有更大的含義：物理學(xué)家更深層的方針是使用這些細(xì)密恒星來(lái)處理更重要的不知道問(wèn)題，例如分配原子核內(nèi)彼此效果的規(guī)律，以及物理學(xué)最大的未解之謎——引力的實(shí)質(zhì)。

中子星僅僅是研討核力的一種方法，國(guó)際各地的粒子加速器也在做這類研討，后者能夠像顯微鏡那樣窺視原子核內(nèi)部。當(dāng)大都核物理問(wèn)題被處理后，科學(xué)家就能夠?qū)⒁c(diǎn)轉(zhuǎn)向引力。“中子星交融了引力物理和核物理，”麻省理工學(xué)院的奧爾·亨（Or Hen）說(shuō)，“現(xiàn)在咱們正把中子星用作試驗(yàn)室來(lái)研討核物理。因?yàn)樵蹅兡軌蚴褂玫厍蛏系脑雍?，咱們有望終究將核物理方面的問(wèn)題研討得十分透徹。然后咱們就能夠使用中子星去研討引力，這也是最具挑戰(zhàn)性的物理問(wèn)題之一?！?/p>

咱們現(xiàn)在的引力理論是愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，它與量子力學(xué)難以相容。這兩個(gè)理論終有一個(gè)要做出退讓，而物理學(xué)家不知道是哪一個(gè)?！霸蹅儠?huì)知道的，” 亨說(shuō)，“這樣的遠(yuǎn)景令人興奮不已。