還是中子星嗎？科學家終於找到了夸克星的證據

在過去的40年中，確認中子星內部存在夸克核心一直是中子星物理最重要的目標之一。圖片：Jyrki Hokkanen, CSC - IT Center for Science

在過去的40年中，科學家一直在探索是否存在夸克星或者中子星內部存在夸克核心。終於，芬蘭科學家找到了有力的證據，證明了最大的中子星核心中存在奇異的夸克物質。這也許標誌著天體物理學的黃金時代的來臨。

我們周圍的所有正常物質都是由原子組成的，原子的原子核包括質子和中子，被帶負電的電子包圍。

原子核模型

夸克（quark）是一種基本粒子，是構成物質的基本單元。夸克通過膠子結合在一起，形成一種複合粒子，叫強子，強子中最穩定的就是質子和中子。

由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子

宇宙誕生初期，物質是一鍋由自由的夸克和膠子組成的濃稠的「湯」，這是夸克膠子等離子體，俗稱「夸克湯」。

夸克和膠子組成強子後，才發展出現在的宇宙。科學家發現從強子到夸克膠子等離子體的相變溫度約為175百萬電子伏特（相當於2萬億攝氏度）。

夸克星是一種假想的星體。當恆星演化到生命的末期，會在自身引力的影響下發生坍縮，當恆星質量低於太陽質量的1.44倍時會產生白矮星，高於1.44倍時引力將物質中的電子和質子擠壓到一起形成中子星，如果恆星質量超過太陽的質量的3.2倍時，將產生黑洞。

中子星和夸克星

物理學家猜測較大質量的中子星可能含有夸克核心，甚至整個星體轉化成夸克星。在更大的壓力下，中子崩潰分離成為夸克，之後進一步轉化為奇夸克，產生一種更加緻密的物質類型。這時的星體就是由奇夸克緊密結合在一起所構成的「夸克星」，整個星體可以看成是一顆巨大的中子。

簡單來說，白矮星是密集的原子核，中子星可以看作是一個巨大的原子核（中子團），夸克星是一個巨大的中子，黑洞則是理論上的奇點。從重量和密度來看，夸克星是介於黑洞和中子星之間。

大約40年前首次提出這種可能性以來，一直是物理學的最重要目標之一。

赫爾辛基大學的科學家認為找到了答案。新的結果發表在《自然物理學》上，題目為：Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars。

夸克核存在的可能性很大

即使是在超級計算機上進行大規模的模擬，也無法確定中子星內部核心的狀態，不過芬蘭科學家提出了一種新的方法。他們認為，通過將粒子物理學的最新研究數據與中子星碰撞產生的引力波的測量結果相結合，有可能推斷出中子星內部物質的特徵。

緻密的中子星的特性可能是極端誇張的，比如聲音的速度可能接近光速，科學家根據聲速的不同，確定中子星內部存在不同的物質相，這極有可能是夸克物質。

中子星內部物質狀態與聲速相關

根據這項研究，存在於大質量穩定中子星核心內的物質與夸克物質的相似性要比與普通核物質的相似性大得多。通過計算，星體中夸克物質的核心直徑可能超過整個中子星直徑的一半。

科學家幾乎可以肯定發現了夸克物質，但是，中子星的確切結構仍然存在許多不確定性，降低不確定性仍需要更多的觀測和計算。

引力波觀測確定半徑

這一新發現受益於天體物理學的兩項最新成果：中子星合併產生的引力波的測量以及對質量接近兩個太陽質量的大中子星的探測。

引力波探測

2017年秋天，雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）和室女座幹涉儀（Virgo Interferometer）首次探測到了兩個合併的中子星產生的引力波。觀測結果後來被用來推導出碰撞中子星半徑的上限，結果是大約13公裡。

LIGO漢福德站點

Virgo站點

大多數質量已知的中子星質量都處於1到1.7個太陽質量範圍內，但是在過去的十年裡，發現了3顆中子星，它們的質量可能達到甚至略微超過兩個太陽質量。

進一步觀察

有了中子星半徑和質量的信息，科學家認為中子星物質性質的不確定性大大減小了。這也使科學家能夠對中子星物質狀態進行準確的計算。

自2017年秋季以來，LIGO和Virgo觀測到更多新的中子星合併。隨著觀測信息的積累，對中子星性質的描述將更加準確。這也許標誌著天體物理學的黃金時代的來臨。