连物理学家都猜错了:这种奇异天体的内部,竟如此匪夷所思

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中子星是宇宙中最神秘的天体之一,同时,这类致密天体的内部成分也充满了悬念:有理论认为,中子星的内部是一片夸克海洋。最近,一个中子星探测项目公布的初步结果,却指向了相反的结论……

撰文 | 乔纳森·奥卡拉汉(Jonathan O‘Callaghan)

翻译 | 杨楠

审校 | 吴非

在人类对宇宙的认知范畴里,中子星是一类独特的天体。它们源于超新星爆发,体积仅有一座城市大小,质量却与恒星相当。一直以来,科学家们都相信中子星内部有一些极端的物理学过程发生,甚至中子可能会分裂成一种叫做夸克的黏软物质。

然而,由于无法窥测中子星内部,我们必须依靠一些可测量的特征,比如质量和尺寸,来推断其内部组成。在中子星引力的作用下,夸克应该比中子更易被压缩。所以如果中子星内部充满夸克,那么质量越大,它的直径应该会更小。

但新的问题出现了:要测量远在数千光年之外,但只有城市大小的天体的直径,对于天文学家来说绝非易事。法国国家科学研究中心的理论物理学家米凯拉·奥尔特尔(Micaela Oertel)曾说,成功测量中子星的质量和大小将是“中子星物理学研究的圣杯”。

2017年,NASA研发的中子星内部组成探测器(NICER)被送往国际空间站,这台X射线望远镜试图探测中子星的诸多性质。2019年,它测量到一颗质量为太阳1.4倍、距离地球1000光年的中子星J0030的直径约26千米

最近,有两个团队利用NICER的数据,分别对距离地球3000光年的另一颗中子星J0740独立展开了分析。两个团队算出的直径基本一致,分别为24.8千米和27.4千米。研究已于5月初发布于预印本网站arxiv.org,但尚未进行同行评审。这一结果令人震惊,要知道,J0740的质量是太阳的2.1倍,是已知质量最大的中子星,比J0030还重50%左右,但两者的直径却几乎一致。

这一发现说明中子星虽然奇特,但还不至于奇特到消灭了中子。佛罗里达州立大学的理论物理学家豪尔赫·皮耶卡雷维奇(Jorge Piekarewicz)说:“这可能表明在中子星的核心,不至于出现奇异物质。

中子星的相变

当一个质量约为太阳8~20倍的巨大恒星燃烧殆尽时,由于没有向外的压力来对抗恒星引力,这颗星球开始坍缩并爆炸,外壳向外抛散,只留下致密的核心快速收缩成和曼哈顿差不多大小的天体,也就是中子星。

中子星的核心位于由离子和电子构成的薄壳下方。在核心部分,质子和电子被紧紧挤压融合成一体,形成一个中子海洋。然而,穿过这些致密物质之后,在更接近中心的地方,可能有更匪夷所思的事情发生。科尔·米勒(Cole Miller)是马里兰大学的天体物理学家,也是测定中子星J0740大小的研究中的主要作者。他说:“那里不是独立的中子和质子,而是比中子和质子还小的夸克组成的海洋。但它们的诞生条件还是个谜。”

截至目前,有一些模型预测,质量足够大的中子星就能产生巨大的密度,导致中子和质子被分裂成更小的夸克——或许2.1倍太阳质量的J0740就能做到这一点。阿姆斯特丹大学的天体物理学家安娜·瓦茨(Anna Watts)说,由于中子星内部结构经历了由常规物质到相对“可挤压”的夸克物质的相变,“半径应该变小”。

另一些模型的预测则恰好相反:即使相变过程真的存在,它也只有在接近中子星坍缩成黑洞的临界质量时才会发生。(具体的临界点尚不明确,但通常认为是3倍太阳质量。)瓦茨说:“问题是,如果在高密度下会有奇异物质形成,那这个转变是从什么时候开始的?”

瓦茨说,如果像J0740这样的中子星经历过这种相变阶段,而且含有更多“可挤压”的夸克,它的直径应为9~16千米。但米勒表示,即使在考虑误差的情况下,研究人员已经确定了一个相当可信的最小直径:22千米。

根据这项研究,中子星或许会在超过2.1倍太阳质量的某个时间点形成夸克,或者可能永远不会形成。相反,即使是在最极端的情况下,质子和中子也可能继续存在于中子星内部。瓦茨说:“看来最黏软的模型肯定要被排除在外了。”

旋转的星斑

NICER能成功测出中子星半径,要归功于中子星本身的行为——当中子星快速旋转时,表面热斑(类似于地球磁极,但强度远超后者)随着中子星一起旋转,并发出X射线。由于中子星的强大引力,即使是恒星远端发出的X射线也会弯曲并传播到我们这里。NICER可以精确测量这些X射线的到达时间,从而帮助科学家在光年之外重现中子星的大小。

另一项研究也为NICER的发现提供了支持。在弗吉尼亚州杰斐逊(Jefferson)实验室开展的铅半径实验(PREx)将一束电子发射到铅中,并发现中子“皮肤”(也就是在铅原子中,中子占据的空间大小)大于质子“皮肤”。这一差异表明中子星直径应比先前预测的大至多2千米。PREx成员皮耶卡雷维奇说:“这与NICER的结论完全一致。”该研究结果发表在《物理评论快报》上。

NICER的结论尚处于早期阶段,因为还需要进一步核查。第三颗中子星的半径也正在测算过程中,其结果将对证明NICER现阶段结论的对错起到重大作用。NASA戈达德太空飞行中心的NICER项目科学负责人扎文·阿祖马尼安(Zaven Arzoumanian)说:“我们希望今年晚些时候能公布这颗中子星的直径,或许还会有一些其他信息。”

但就目前的结果来看,即使是宇宙中最致密的中子星都不至于“致密”到产生奇异物质。皮耶卡雷维奇说:“这是反对‘中子星核心发生剧烈相变’这一假说的第一个有力证据。”如果这个过程在中子星中都不会发生,它还会在其他地方发生吗?“恐怕不会。”皮耶卡雷维奇表示。

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