中子星是理解物质和引力超致密态的关键

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大多数人甚至从未听说过这样的物体，一块乒乓球大小、重量超过十亿吨的材料。当一颗几个太阳质量大小的恒星在称为超新星的爆炸过程中死亡时，它就会变成一颗大小只有 10 到 20 公里的超密中子星。这颗新兴恒星的名字是由于在重力的影响下，质子和电子相互合并并形成中子。事实上，这个问题还远未得到解决，因为天文学家从未近距离观察过中子星，世界上没有哪个实验室能够制造出密度如此巨大的物体。从这方面来说，此类物体的内部结构是太空中最大的谜团之一。它们也是来自已知物质形式的强引力物体。如果增加一点质量，中子星就会变成黑洞，本质上是纯粹的弯曲空间。

在天体物理学中，关于中子星深处发生的事情有几种理论。根据一种观点，它们主要由中子和少量质子组成。另一个想法假设这些基本粒子在恒星内部衰变成夸克和胶子。人们还假设，在这些恒星内部可能存在一种奇异物质，由较重的奇异夸克形成的超子组成。如何确定这些概念的真实性？

尽管困难重重，科学家们仍然取得了一些进展。2017年8月，研究人员首次探测到引力波，这是两颗中子星碰撞引起的时空振动。这些扰动包含有关灾难发生前的恒星质量和大小的信息，这使得对中子星的结构和成分引入一些限制成为可能。同样是在 2017 年，国际空间站对脉冲星进行了观测，脉冲星是快速旋转的中子星，由于强大的磁场而发射高能光子。这些物体的磁场非常强，如果一个人在20公里之外，那么他血红蛋白中的所有铁都会消失在中子星中。

由于这些观测，了解中子星内部的实际情况以及了解物质和引力的基本极限的前景已经开启。目前，物理学家认为中子星的质量可以从一到两个半太阳质量不等。中子星至少包含三层。外层主要由氢和氦组成，厚度从几厘米到几米不等。第二层位于外地壳，一公里深，由排列成晶体结构的原子核以及电子和中子组成。第三层，即内层，恒星的大部分质量集中在其中，在很大程度上是神秘的。当我们向恒星中心移动时，中子数量会增加。到底，在内核中，出现了一种假设的状态，其中中子叠加并被压缩，变成由夸克组成的液体。一种科学理论认为，夸克形成一种没有粘度的超流液体，一旦开始运动，就永远不会停止。夸克的压缩可以导致“库珀对”的形成。夸克是费米子，即 具有分数半整数自旋的粒子。由于压缩，它们与其他夸克有亲缘关系，可以形成“库珀对”。根据泡利原理，夸克本身是费米子，不能处于相同的状态。同时，玻色子没有这样的限制，当它们结合形成一对时，它们获得零或另一个整数的自旋值，表现出其他性质。尤其，他们可能处于最低能量状态并表现出集体行为。当这种情况发生时，夸克对形成超流体，中子也可以形成超流体。这种假设的证据是恒星自转的中断。它们是在超流体和地壳运动不同步的情况下出现的。随着时间的推移，恒星的自转速度会减慢，但无摩擦运动的超流体却不会减慢。

当速度之间的差异变得太大时，超流体会将角动量传递到地壳。“这就像一场地震，”拉蒂默说。你会遇到碰撞和能量爆发，导致转速短暂增加，然后再次下降。”

墨西哥国立大学的科学家研究了仙后座脉冲星的 X 射线发射后，证实了这一假设。超流体奇异夸克只是中子星神秘之门后面等待着我们的奇异可能性之一。它们也有可能是罕见的“奇异夸克”的家园。

夸克有六种类型或风格——上夸克、下夸克、魅力夸克、奇异夸克、真实夸克和魅力夸克。原子中只存在两种最轻的元素——上元素和下元素。其他味道是如此巨大和不稳定，以至于它们通常仅以高能粒子的短暂碎片形式出现。

在中子星的超致密内部，上夸克和下夸克可以变成奇怪的夸克并与其他夸克结合，形成超子。夸克的自由态，一种夸克汤，也是可能的。NICER 实验的联合首席研究员兼科学主任阿祖曼扬 (Arzumanyan) 表示，这种情况应该会改变中子星的大小，该实验旨在确定这些替代方案中哪一个是正确的。为此，使用了安装在国际空间站外部的 NICER 仪器。他记录了几十颗脉冲星以及它们发出的 X 射线辐射。如果发现相同质量的恒星会有不同的大小，那么这表明它们的状态存在不同的变体。根据现有的假设，人们认为 中子星的大约一半可能由超子组成，其质量不超过太阳质量的1.5倍。与此同时，2010年，发现了一颗质量为1.97太阳质量的中子星。经过计算，物理学家得出结论：超子不能超过恒星质量的10%。

研究中子星性质的一种特殊方法是研究与其碰撞相关的灾难性过程。这些灾难伴随着伽马辐射的爆发和引力波的出现，引力波是一种时空涟漪。2017年8月，发现了两颗中子星碰撞产生的引力波。两个引力干涉天文台：其中之一是位于华盛顿州和路易斯安那州的 LIGO，第二个是位于意大利比萨附近的 Virgo，同时记录了两颗螺旋运动中子星合并时产生的引力波。在此之前，科学家从未观察到中子星碰撞引起的引力扰动。之前对引力波的探测只能从黑洞碰撞中观察到。此外，随着引力扰动，望远镜同时记录了从天空中同一位置发出的光。光和引力波带回了有关距离地球 1.3 亿光年的位置以及灾难如何发生的大量信息。波的振幅和频率可以对碰撞物体进行估计。每颗卫星的重量约为 1.4 个太阳质量，撞击前半径为 11 至 12 公里。改进引力波探测器最终将使确定中子星内部的物质成为可能。引力波的性质可能会根据其深处物质的状态而有所不同。如果物质的粘度低或无粘度，

正如奥尔福德指出的那样：“这些引力波将比合并时弱得多。这是物质静静地飞溅，而不是撕裂。”目前，即使是先进的 LIGO 探测器也无法看到这些波。尽管如此，人们还是把希望寄托在欧洲地面爱因斯坦望远镜上。

中子星与构成宏观宇宙的原子完全不同，解开中子星状态的秘密，扩大了我们知识的边界。这使得将诸如晃动夸克物质、超流中子和高超子星等稀奇古怪的理论设计变为现实成为可能。研究中子星将使我们能够更好地理解核相互作用的本质并解决最大的谜团——引力的本质。中子星是核物理学和引力物理学的混合体。目前，引力是由爱因斯坦的相对论描述的，但众所周知，它与量子理论相矛盾。科学的发展将导致这两种理论中的一种发生改变，或者出现一种新的理论来消除它们之间的矛盾。