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全宇宙最緻密的物質,是一片流動的“海洋”?

http://finance.sina.com   2019年07月11日 18:18   北京新浪網

繪圖:Foreal繪圖:Foreal

  來源:環球科學微信公衆號

  中子星是質量在一定範圍內的恆星耗盡燃料並塌縮後留下的極端緻密的殘骸。它們含有宇宙中最緻密的物質(黑洞不屬於物質的範疇),但具體成分一直是一個未解之謎。科學家知道,在中子星內部,引力把質子和電子壓縮成了中子,但卻不知道這些中子是以什麼樣的形式存在的。它們是組合起來形成無黏滯的“超流體”,還是被進一步分解成更基本的夸克和膠子?

  當一顆質量是太陽20倍的恆星死亡之後,它會變成大小如一座城市,密度高得不可思議的天體——中子星。用NASA天體物理學家扎文·阿祖馬尼安(Zaven Arzoumanian)的話說,中子星是“大多數人從未聽說過的最奇異天體”,一塊乒乓球大小的中子星物質,重量就超過了10億噸。

  天文學家認爲,在引力的擠壓下,中子星內部的大多數質子和電子融合成了中子——它就是因此而得名的。但這並不是最終結論,天文學家從來沒有近距離觀察過中子星,地面實驗室也無法制造出接近其密度的物質,因此,中子星內部結構仍是宇宙中的重大謎題之一。

  中子星內部含有已知引力最強的物質——再增加一點質量,它們將會變成黑洞,而後者實質上並非物質而是極端彎曲的時空。“這個臨界狀態是什麼樣子的?” 阿祖馬尼安說,“這就是我們正在探索的問題。”

  爲了解答這個問題,研究者提出了若干個相互競爭的理論:

  • 一些理論認爲,中子星裏面確實都是中子,可能還有少量質子。

  • 而其他理論提出,中子星裏面的物質狀態比這更奇怪。或許中子星內部的中子被分解成了更基本的粒子,即夸克和膠子,它們在自由粒子的海洋中無拘無束地遊動着。

  • 還有一種可能是,這些天體由更奇特的物質構成,比如超子。超子是一種奇異的粒子,不僅由“上”和“下”夸克(原子中的夸克)構成,還包含了更重的 “奇異”夸克。

  因爲我們不能把中子星切開看看裏面有什麼,所以沒有一個簡單的方法來判斷這些理論哪個才是正確的。儘管如此,科學家還是取得了一些進展。一個重大突破出現於2017年8月,研究者通過地面實驗探測到了兩顆中子星正面相撞產生的引力波。引力波是大質量物體加速運動時產生的時空波動,這次檢測到的引力波攜帶了兩顆發生碰撞的中子星的質量和大小等重要信息,利用這些信息,科學家就可以進一步確定中子星的性質和內部成分。

  2017年6月開始在國際空間站上運行的中子星內部成分探測器(NICER)也在幫助科學家蒐集線索。NICER監視的是脈衝星這種具有強磁場並快速自轉的中子星。脈衝星發射出的光束會不斷掃過星際空間,當地球處於光束掃過的區域時,我們就會看見脈衝星在以高得令人震驚的頻率“眨眼睛”,最快1秒能閃爍700多次。通過這些實驗,科學家有望弄清中子星裏面到底是什麼。如果真能實現這個目標,我們不但可以更好地認識這類怪異天體,還能瞭解極端條件下的物質和引力。

  超流海洋

  恆星在覈心耗盡燃料而停止產生能量時,可能會發生超新星爆發,中子星就是從這種災難性的爆發中鍛造出來的。突然沒有了對手的引力會像活塞一樣錘擊恆星,吹散外面的包層,擊碎核心。處於這個階段的恆星,其核心主要是鐵構成的。強大的引力可以壓碎原子,將電子擠進原子核使它們和質子融合產生中子。“來自四面八方的壓力將鐵壓縮了10萬倍,”聖路易斯華盛頓大學的物理學家馬克·奧爾福德(Mark Alford)說,“直徑十分之一納米的原子變成了直徑幾飛米的中子。”這就像是把地球壓縮成一個街區的大小。當恆星停止塌縮後,內部的中子數量大概是質子的20倍。

  物理學家認爲,中子星的質量大約是太陽的1~2.5倍,可能有至少三層結構。最外層是由氫和氦組成的氣態“大氣”,厚度爲幾釐米到幾米。這層大氣漂浮在厚度約1千米、由原子核構成的外“殼層”之上。在這一層中,原子核排列成晶格結構,電子和中子充斥於其間。最裏面的第三層包含了中子星的大部分質量,其具體成分仍是個謎。這裏的原子核擠在一起,幾乎沒有剩餘空間,達到了核物理能允許的最高密度。越靠近中子星的核心,每個原子核內的中子數就越多。在某處,原子核將無法容納更多的中子,這時中子會溢出,此時再也沒有原子核了,只有核子(即質子和中子)。最終,在中子星最深處,這些粒子也可能被分解。

  “對這種異常高壓和高密度狀態下的物質,我們的認識還處於假說階段。” 奧爾福德說,“我們認爲,中子實際上可能已經被壓碎了並互相重疊,所以你無法將它看成中子流體,而是應該稱其爲夸克流體。”

  這種流體具體是什麼形式的,仍是個沒有定論的問題。一種可能是,夸克形成了“超流體”,這樣的流體沒有黏性,理論上一旦運動起來就永遠不會停下來。中子星內部出現這種離奇的物質狀態是可能的,因爲夸克之間的關聯性使得它們在足夠靠近時可能形成束縛的“庫珀對”。

  夸克本身是費米子——其自旋量子數是半整數。當兩個夸克配對後,它們整體表現爲玻色子——其自旋爲整數。這一轉變意味着粒子將遵循新的規律。費米子服從泡利不相容原理,即兩個相同的費米子不能佔據相同的狀態——但是玻色子不受這樣的限制。在擁擠的中子星內部,作爲費米子,夸克不得不具有越來越高的能量以便佔據比其他夸克更高的能級。然而,變成玻色子之後,它們可以全部待在能量最低的狀態。當夸克對處於這種狀態時,就形成了超流體。

  在密度最高的核心區域之外,中子還保持完整狀態,它們也可以配對形成超流體。實際上,科學家確信中子星的殼層有超流體,證據來自於脈衝星的“週期躍變”,即中子星的自轉突然在一段時間內變快。中子星的自轉會自然地變慢,而流動時不受摩擦力作用的超流體卻不會變慢。當兩者自轉速度的差異變得太大時,超流體會將角動量轉移到殼層。“就像是地震,” 紐約州立大學石溪分校的天文學家詹姆斯·拉蒂默(James Lattimer)說,“中子星打了個嗝,突然釋放出一些能量,自轉頻率短時間內增加,然後又恢復。”

  2011年,拉蒂默和同事聲稱,他們找到了中子星核心存在超流體的證據,但他承認這還存在爭議。拉蒂默的團隊在墨西哥國立自治大學的達尼·帕日(Dany Page)的領導下,研究了仙后座A的X射線觀測數據。他們發現,星雲中心的脈衝星冷卻速度要比傳統理論預期的更快。一種解釋是,中子星內部的一些中子兩兩配對成爲超流體,中子對散開又重新結成時會發出中微子,使得中子星失去能量而冷卻。

  仙后座A是古代超新星的遺蹟,其中心有一顆中子星。有跡象表明這顆中子星的核心是“超流體”。

  詭異的夸克

  超流體僅僅是中子星神祕大門背後隱藏的一種可能性。中子星還可能是稀有的“奇異夸克”之家。

  夸克有六種類型,或者更確切地說是有六種味道——上、下、粲、奇異、頂、底。原子中僅存在上和下這兩味最輕的。其餘的味道質量太大而不穩定,所以它們往往僅在粒子加速器(例如大型強子對撞機)的高能粒子碰撞實驗中短暫出現。但是在極端緻密的中子星內部,中子內的上、下夸克可能有一些會轉變成奇異夸克(其餘的罕見味道——粲、頂、底夸克由於質量太大,即使在這裏也不大可能形成)。如果奇異夸克出現並且與其他夸克束縛在一起,會形成中子的“變異體”——超子。也可能這些夸克根本沒有組成其他粒子,而是自由地漫遊在“夸克湯”之中。

  每一種可能的物質狀態都會顯著地影響中子星的大小。用阿祖馬尼安的話說,中子“就像彈珠,構成一個堅硬的固態核心”。固態核心會撐起外層,使中子星變得大一些。另一方面,如果這些中子分解成了一鍋夸克膠子湯,就會構成一個“較軟的、糊狀”的核心,中子星的半徑也會變小。NICER實驗的目的就是確定哪個解釋是正確的。阿祖馬尼安是該項目的首席研究員之一,主管科學事務,他說 :“NICER的關鍵目標之一是測量中子星的質量和半徑,以此幫助我們選擇或排除關於緻密物質的某些理論。”

  NICER是一個洗衣機大小的盒子,安裝在國際空間站外部。它持續地監視天空中的數十顆脈衝星,探測從它們發出的X射線光子。NICER能探測光子的能量和達到時間,還有光線在中子星引力場作用下的彎曲程度,從而幫助科學家計算這些脈衝星的質量和半徑,並進行比較。

NICER工作示意圖(圖片來源:NASA‘s Goddard Space Flight Center)NICER工作示意圖(圖片來源:NASA‘s Goddard Space Flight Center)

  測量中子星的半徑可以有效地精簡有關中子星內部物質狀態的候選理論。科學家曾經認爲中子星內部一半的中子會轉變爲含有奇異夸克的超子。理論計算表明,這種富含超子的中子星無法超過1.5倍太陽質量。然而在2010年,由美國國家射電天文臺的保羅·德莫雷斯特(Paul Demorest)領導的天文學家測量到一顆中子星有1.97倍太陽質量,這一發現排除了許多關於中子星內部的理論。現在物理學家估計中子星內部的超子含量不會多於10%。

  碰撞現場

  研究單個的中子星讓我們收穫頗多,但研究兩顆中子星的碰撞更有價值。多年來,天文學家通過望遠鏡觀測到了一些名爲伽馬射線暴的強烈閃光現象,他們一直懷疑這類事件源自兩顆中子星的碰撞。而通過2017年8月探測到的引力波,天文學家終於看到了第一例中子星併合。

  2017年8月17日,兩個實驗組——激光干涉引力波天文臺(LIGO)和歐洲的Virgo——同時探測到了兩顆中子星相互旋進,然後併合成一顆中子星或黑洞時產生的引力漣漪。這並不是科學家第一次探測到引力波,但之前的引力波都來自兩顆黑洞的碰撞。不但如此,這次在探測到引力波的同時,科學家也利用望遠鏡觀測到了來自天空同一個位置的電磁波。電磁波和引力波加在一起,提供了有關碰撞發生的位置和過程的大量信息,對研究中子星物理大有益處。

  天體物理學家追蹤引力波找到了距離地球1.3億光年的一對中子星。引力波的細節,即頻率、強度以及模式隨時間的變化,能讓研究人員估算出碰撞前兩顆星的質量大概是太陽的1.4倍,半徑是11~12千米。這些信息可以幫助科學家構建出一個描述中子星本質的關鍵方程,即狀態方程。這種方程描述了物質在不同壓強和溫度下的密度,應當適用於宇宙中所有的中子星。

  對應不同的中子星內部物態,理論學家已經提出了若干可能的狀態方程,而新的觀測可以排除其中的一些。例如,這次觀測發現中子星的半徑相對較小,讓人頗感意外。如果試圖用相同的狀態方程描述這些緻密中子星和已知的大質量中子星(例如1.97倍太陽質量的龐然大物),一些理論就會陷入困境。

  物質的極限

  如能提升引力波探測器的靈敏度,我們會得到巨大的回報。例如,有一種檢驗中子星物態的方法是尋找內部旋轉流體發出的引力波。如果流體的黏性很低或者爲零——就像超流體那樣——它會以一種名爲r模式的特殊方式流動,併發出引力波。“這種引力波比並合發出的引力波弱得多。” 奧爾福德說,“物質在靜靜地晃動而不是被撕裂開。” 奧爾福德和他的合作者確定,目前運行的先進LIGO探測器無法看到這類引力波,但未來LIGO的升級版以及一些籌劃中的天文臺,例如歐洲考慮建設的地面愛因斯坦望遠鏡,是可能看到的。

  破解中子星謎題可以幫助我們認識處在難以理解的極端狀況下的物質。這種物質與構成我們世界的原子差異極大,能擴展我們的認知疆界。它可能將一些奇思妙想變成現實,比如流體般晃盪的夸克物質、超流中子和異乎尋常的超子星。而且,理解中子星還有更大的意義:物理學家更深層的目標是利用這些緻密恆星來解決更重要的未知問題,例如支配原子核內相互作用的定律,以及物理學最大的未解之謎——引力的本質。

  中子星僅僅是研究核力的一種方式,世界各地的粒子加速器也在做這類研究,後者可以像顯微鏡那樣窺探原子核內部。當多數核物理問題被解決後,科學家就可以將重點轉向引力。“中子星融合了引力物理和核物理,”麻省理工學院的奧爾·亨(Or Hen)說,“現在我們正把中子星用作實驗室來研究核物理。由於我們可以利用地球上的原子核,我們有望最終將核物理方面的問題研究得非常透徹。然後我們就可以利用中子星去研究引力,這也是最具挑戰性的物理問題之一。”

  我們目前的引力理論是愛因斯坦的廣義相對論,它與量子力學難以相容。這兩個理論終有一個要做出讓步,而物理學家不知道是哪一個。“我們會知道的,” 亨說,“這樣的前景令人興奮不已。”

  撰文:克拉拉·莫斯科維茨(Clara Moskowitz),《科學美國人》資深編輯

  翻譯:來小禹,北京大學物理學院天文系博士

  審校:徐仁新,北京大學物理學院天文系教授

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