2-3倍太阳质量中子星与5倍黑洞间的奇特天体

既然天体物理学家无能为力，那理论物理学家可就要出手了。反正没人知道答案，那就把所有的可能性都推演一遍。于是，在过去几十年，理论物理学家们想象出了一大堆离谱的天体，它们有一个统一名字——奇特星（Exotic Star）。这类天体要回答的就是：在变成黑洞之前，当引力继续压缩物质时，中子星会变成什么？

—— 中子星 ——

刚才说过，一颗典型的中子星，质量通常在2~3倍太阳质量左右，而半径只有十几公里，这相当于在一座城市里塞进了一整个太阳的物质。在这样的环境下，原子结构早已崩塌，核外电子被硬生生压入原子核，并与里面的质子结合，形成中子。最终，整个天体近乎变成了一个由大量中子构成的巨大原子核，这便是中子星（Neutron star）。

此时，中子星内部的物质已经进入了中子简并态，因此无法继续被压缩。因为中子属于粒子物理中的费米子，这类粒子严格遵循泡利不相容原理（Pauli exclusion principle）。就是在同一个地方的同一个座位上，绝对不可能同时坐着两个一模一样的费米子。欸，“一山不容二虎”。中子也遵循这个规则。

当引力要强行把两个中子塞进同一个空间时，这时候，泡利不相容原理会爆发出一股极其恐怖的力量，阻止两个中子相互靠近，这被称为“中子简并压（neutron degeneracy pressure）”，此时物质的状态就是“中子简并态（neutron degenerate state）”。

—— 夸克星 ——

倘若引力足够强，强到连中子简并压也扛不住呢？由于泡利不相容原理，让两个中子合二为一是不可能了，强行挤压带来的结果，只会让它们自身发生“碎裂”。

我们知道，中子不是基本粒子，它的内部至少塞着三个夸克，两个下夸克，一个上夸克。正常情况下，这三个夸克被强相互作用牢牢束缚在一起，无法分开，这被称为“夸克禁闭（quark confinement）”。当中子“破碎”后，它里面的这些夸克便会突破禁闭，变成自由夸克。此时抵抗物质进一步压缩的就不再是中子简并压，而是夸克简并压，这种物质被称为夸克物质。于是，继中子星之后的第一位候选人出现了——夸克星（Quark star）。

关于夸克星，之前曾专门做过一期，其实你很难将它和中子星严格区分。两者大小差不多、质量差不多、引力效应也差不多。更关键的是，我们对这类天体的内部物质状态了解得非常有限，以至于不少科学家怀疑，目前观测到的个别中子星，实际上可能就是夸克星。

—— 奇异星 ——

夸克星至少还算中规中矩，毕竟，组成它的夸克属于常见的第一代费米子——上下夸克。然而在粒子物理的标准模型中，夸克有六种，除了上下夸克外，还有粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。后面这四种属于第二、第三代费米子，很不稳定，寿命极短，自然界很难大量存在，一般只出现在粒子对撞机、高能宇宙射线以及极早期宇宙等极端环境中。

但是科学家发现了一个反常的情况：就是当系统里只有上下夸克时，粒子会被迫占据高能量状态，但是如果加入第三种夸克——奇夸克后，部分粒子就能转移到新的量子态，整体能量会随之降低，而低能量态恰恰是宇宙最喜欢的（毕竟稳定嘛）。于是有人提出一种可能：会不会存在一种由上夸克、下夸克以及奇夸克组成的天体？也就是“奇异夸克星（Strange quark star）”，也叫“奇异星（Strange star）”。

基于此，甚至有人认为，如果理论是正确的，那意味着我们熟悉的由原子核构成的普通物质，其实处于的只是一种临时状态，由奇夸克构成的奇异物质才是物质的终极版本。当然，这个想法太过激进。如果它是真的，那整个宇宙的物质稳定性都要重新考虑，所以目前大家更多还是把它当成一种有趣但未经证实的可能性。

—— 电弱星 ——

把物质压缩到极限，除了会让粒子碎裂成更基本的粒子外，它甚至能让不同的相互作用重新统一。比如在宇宙的极早期，当时的电磁力和弱力其实是同一种力，这被称为“电弱统一（Electroweak unification）”。后来随着宇宙的冷却，它们才完成了“分家”。

当恒星核心被压缩到极致时，夸克可能会通过电弱过程直接转化成轻子（比如电子、中微子等），这个过程会释放出惊人的能量，而这个能量理论上比中子简并压更强，完全可以阻止恒星的进一步坍缩。这种基于电弱相互作用的天体，被称为“电弱星（Electroweak star）”。

理论上电弱星存在一个能够被观测的特征——一个极其明亮且能谱偏硬的中微子爆发。由于电弱星存在时间极短（可能只有几百万年，甚至几秒），并且它发生在恒星死亡的最后阶段，因此现实中直接观测到它的机会十分渺茫。

—— 先子星 ——

不管是夸克星、奇异星还是电弱星，对理论物理学家来说这些天体可能还不够激进。于是，有人翻出了一个上世纪八十年代盛行的理论，一种比夸克还小、比基本粒子还要基本的粒子——先子（Preon）。

先子的“先”是“先后”的先，有时也翻译成“前子”（“前后”的前）。当时的粒子物理学界正被一个问题困扰，就是粒子的种类太多。随着粒子加速器实验的进展，60年代时，物理学家观察到的粒子种类就已多达200多种，人们形象地称其为“粒子动物园”。为了解决这个问题（当然还有一系列其他问题），总之物理学家迫切希望找到一个更简单、更统一的模型。于是，有人假想出了一种“先子”的粒子，它被认为是构成夸克和轻子的更基本粒子。

虽然迄今为止没有任何实验能够证明先子的存在，但是理论研究往往就是这样，先假设它存在，再去找相关的迹象。所以，假如真的存在先子这种粒子，那么当中子简并态（甚至是夸克简并态）进一步被压缩时，夸克可能就会进一步碎成先子，此时对应的天体被称为“先子星（Preon star）”。

在同等质量下，先子星的体积会比中子星、夸克星更小，甚至小到只有几百米、几十米这个尺度。相当于把一个太阳硬塞进了一个体育场，可想它周围的引力环境有多恐怖。

—— 玻色子星/轴子星/Q星 ——

如果你觉得先子星已经够奇葩了，那么你还是小瞧了科学家的脑洞。先子虽然奇葩，但它依旧是费米子，但谁说天体就一定得由费米子构成？这里面就不能有玻色子的一席之地吗？

刚才说了，由于泡利不相容原理，费米子“一山不容二虎”，但玻色子可不管这一套，大量玻色子可以同时占据同一个量子态，这被称为“玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate, BEC）”。于是有人设想：宇宙中会不会存在一种由玻色子聚集成的天体，也就是“玻色子星（Boson star）”？

不同于费米子这种直接构成物质的粒子，玻色子主要负责传递力。比如光子负责传递电磁力、胶子传递强力、W和Z玻色子传递弱力，哪怕是尚未被发现的、传递引力的引力子，它也属于玻色子。不过要能够形成天体，对玻色子的要求也是有的，目前最热门的是一种被称为轴子（axion）的玻色子。欸，没错，就是那个被当作暗物质候选者粒子的轴子。由它构成的天体，就被称为“轴子星（Axion star）”。

假设轴子星存在，它会是什么样子呢？它的内部是一团宏观量子凝聚体，靠自身引力维持成球形。但是这个球它不会发光，甚至完全透明，所以你根本看不见它。虽然看不见，但是由于质量巨大，它的引力效应是存在的。所以理论上，我们可以通过被扭曲的光线以及它产生的引力波，间接发现它的存在。欸，听起来是不是有点暗物质的味道？

与之类似的还有一种天体，叫做“Q星（Q star）”，这里的“Q”代表一种守恒荷（比如重子数、轻子数或者电荷）。某些情况下，Q星的质量可以超过奥本海默极限，但不会形成事件视界，所以理论上你能够“摸到”它的表面。只是这种天体的密度极高，不发光、引力极强，和黑洞一样也能扭曲光线。因此，它也被视为黑洞的一种“替代品”。

—— 孤子星 ——

不管是轴子星还是玻色子星，又或是Q星，它们其实都可以被归为“孤子星（Soliton star）”这类天体。孤子星的概念最早在上世纪80年代由李政道等人提出。这是一类由非线性标量场在广义相对论下形成的稳定、局域的静态解。我知道，这个解释虽然每个字都认识，但是连一块就看不懂了。这也正是孤子星的奇特之处，它已经脱离了日常语言能够描述的范畴。所以你要问：“构成孤子星的到底是什么东西？”这个问题很难回答，它可以是各种费米子，也可以是某种玻色子，但不管怎样，它都不是我们熟悉的由任何普通物质构成的天体。

好了，这期简单介绍了理论上恒星演化到最后可能成为的各种奇葩天体。当然，理论中奇特星的种类远不止于此。比如有一种天体叫做“引力真空星（Gravastars）”，它也被视为黑洞模型的替代者。关于引力真空星之前曾专门做过一期，这里就不赘述了。

可以看到，为了找出中子星和黑洞之间“隐藏天体”，科学家们的脑洞是越开越大。也许这些猜想最终都会被证明是错的，但这并不代表对它们的研究没有意义。因为科学探索往往不是沿着正确的道路往前走，而是在无数种可能性中不断试错。每一个看似天马行空的理论，其实都在助力我们一步步走向正确的方向。