中子星內被證實存在夸克物質,引力波學黃金時代正在開啟

2020-11-24 網易新聞

在過去的40年中,證實中子星內部存在夸克核一直是中子星物理學最重要的目標之一。

我們周圍所有的普通物質都是由原子組成的。原子包括緻密的原子核和帶負電荷的電子。而原子核包括質子和中子。然而,在中子星內部,原子物質會塌縮成密度極高的核物質。在核物質中,中子和質子被緊緊地擠壓在一起。此前,人們還不清楚,在質量最大的中子星的核心內,核物質是否會塌縮成更奇特的夸克物質?《自然·物理學》雜誌報導,芬蘭赫爾辛基大學的研究人員認為這個問題的答案是肯定的。該結論結合了理論粒子學、核物理學和中子星碰撞引力波測量的最新成果,或將對物理學研究產生深遠影響。赫爾辛基大學物理學系副教授Aleksi Vuorinen說:「在過去的40年中,證實中子星內部存在夸克核一直是中子星物理學最重要的目標之一。」

根據分析結果,研究人員認為存在於質量最大的穩定中子星核心內部的物質與夸克物質的相似性遠高於前者與普通核物質的相似性。計算結果顯示,在這類恆星中,被確定為夸克物質的核心的直徑超過中子星的半徑。然而,Vuorinen表示,中子星的確切結構仍存在諸多不確定性。他解釋說:「中子星只由核物質組成的可能性雖然很小,但不是零。我們能夠做的工作是對此進行量化。簡而言之,緻密核物質的行為必須具備真正的特殊性。」

促成新發現的關鍵在於天體物理學研究近期取得的兩個重要成果:中子星合併產生的引力波的測定,以及對質量接近兩個太陽質量的大型中子星的探測。2017年秋,LIGO和Virgo天文臺首次探測到了兩顆合併的中子星產生的引力波。觀測結果為潮汐形變性設定了嚴格上限。該結果後來被用於推導碰撞中子星半徑的上限,結論是大約13公裡。

雖然科學家對中子星的首次觀測可追溯到1967年,但對這類恆星精確質量的測定直至過去20年中才得以實現。在過去的10年中,科學家已經觀測到3顆恆星的質量達到甚至可能略微超過兩倍太陽質量。

自2017年秋以來,研究人員陸續觀測到了許多新的中子星合併事件。正是這種新觀測信息的快速積累,提高了科學家們的研究準確性,並對中子星夸克物質的確認起到了關鍵作用。Vuorinen興奮地說:「我們有理由相信,引力波天體物理學的黃金時代才剛剛開始。」

原創編譯:雷鑫宇 審稿:alone 責編:唐林芳

期刊來源:《自然·物理學》

期刊編號:1745-2473

https://www.helsinki.fi/en/news/science-news/finnish-researchers-have-discovered-a-new-type-of-matter-inside-neutron-stars

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  • 中子星中的夸克物質
    中子星內部的「細胞核」是一種不尋常的物質,由稱為夸克的亞原子粒子組成。 物理學家通過分析2017年8月中子星碰撞期間形成的引力波(符號GW170817)收集了新數據。數據顯示,中子星的核心密度非常高,以至於原子核不再存在,而是集中在夸克物質上。這是認識極端分子的一個重要轉折點。
  • 如果你相信引力波的話,那麼夸克星存在於中子星內部
    因此,從天文觀測的角度研究中子星對了解在強引力場和超高密度物質的物理規律有重要的科學價值。中子星依靠中子簡併壓力和自身引力相抗衡,但是如果質量超仍然過了它的上限,它就會坍縮形成黑洞。由於中子星和黑洞之間存在質量間隙,因此有人提出了夸克星的存在。 但是,由於一直沒探測到夸克星存在的證據,且中子星內部的受力超過了中子簡併壓力,所以科學家懷疑夸克星存在於中子星內部,也就是中子星有一個夸克核。
  • 中子星內部異物質的存在現已被證實
    研究人員一直致力於研究中子星的內部,假設其內部在足夠高的熱量和密度下,中子會進一步分解成它們的組成夸克。Vuorinen和他的團隊利用了引力波信號與新的理論和粒子物理結果一起產生其誘人的計算,結果表明如果這些核心是夸克物質將更能解釋出現的事實現象。目前,中子星逐漸成為了宇宙中最「美味」的物體。
  • 中子星內部異物質的存在現已被證實
    研究人員一直致力於研究中子星的內部,假設其內部在足夠高的熱量和密度下,中子會進一步分解成它們的組成夸克。Vuorinen和他的團隊利用了引力波信號與新的理論和粒子物理結果一起產生其誘人的計算,結果表明如果這些核心是夸克物質將更能解釋出現的事實現象。
  • 中子星核心存在大量夸克,介於黑洞和中子星之間的夸克星可能存在
    1967年,人類首次觀測到中子星的存在,且在之後的觀測中都發現中子星的質量超過奧本海默極限。今天,我們知道中子星的質量上限為2.15倍太陽,許多人可能認為奧本海默錯了,但是聰明的科學家察覺到中子星可能不是全部由中子構成,在其內部可能還有另一種狀態。
  • 科學家發現中子星內部存在宇宙中最奇異物質的證據
    研究人員結合最近的理論計算和中子星碰撞產生的引力波的測量結果,發現最大規模的中子星很可能有"夸克核"。在正常物質中,被稱為夸克的基本粒子只存在於質子和中子內部。但是,如果正常物質受到極端溫度的影響,或者以非常高的密度聚集在一起,它就會"融化"在一起,讓夸克物質在物質內部的任何地方自由地遊蕩。
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  • 中子星上全是中子嗎?在中子星內部,物質可能以另一種形式存在
    在已經被證實存在的天體之中,除去黑洞以外,中子星可以說是最為強大的宇宙天體,而這種強大主要體現在它的質量和密度上。這種極為緻密的天體並不是從一開始就存在於宇宙之中的,它的前身通常是一顆大質量的恆星。在恆星強大的引力作用下,物質會不斷被壓縮,即使是原子也不能夠以完整的形態存在,原子核會被壓碎,核外電子會進入到原子核內的質子裡,從而形成中子,所以說中子星上的物質是以中子簡併態的形式存在的。
  • 中子星物理學研究進入黃金時代
    今年6月初,芬蘭科學家在最新一期《自然·物理學》雜誌撰文指出,他們已經找到有力證據,證明迄今最大中子星內核存在奇異的夸克物質,將籠罩在中子星頭上的「神秘面紗」又揭開了一層。中國科學院國家天文臺研究員張承民對科技日報記者介紹說:「本世紀20年代後將有大批科學前沿裝置投入到中子星的研究,比如美國和歐洲的引力波天文臺、中國『天眼』FAST、國際SKA射電陣列等,將中子星研究從過去的多波段時代升級到當今的多信使時代,中子星物理學的黃金時代已經到來。」
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    在中子星的中心,是物質狀態與上述兩層完全不同的固體核心。它的成分,推測可能是緊密排列的中子,或者是夸克狀態。中子星的鐵質外殼可能會分成兩層,在鐵質外殼的上面,可能由氫和氦組成的薄大氣層。但是目前這一層還未被直接觀測到。
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    在諸如紐約布魯克海文國家實驗室和歐洲核子研究中心的大型強子加速器這樣的設施裡,研究者們使重離子對撞,比如鉛和金,以創造少量極為緻密的物質。然而,這些動能碰撞實驗會產生數十億乃至數萬億攝氏度的高溫,在這樣的溫度下質子和中子會融解為一團夸克和膠子湯。地球上的設備是難以探測像中子星內部相對溫和的、僅有百千萬攝氏度的狀況。
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    除了這些以外,宇宙中理論上應該還存在這樣一種天體,它也是超新星爆發後留下的殘骸,它就是——夸克星。到目前為止,人類從未真正發現過夸克星的蹤跡,這是一個完全理論上的產物。其實這也很正常,物理學經常發生這樣的事,考驗一個物理模型好不好的角度之一就是它的預測能力。