宇宙中最危險的物質——可能像細菌一樣蠶食整個地球

2020-12-03 老胡說科學

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兩顆中子星因引力而合併絕對是宇宙中最劇烈的事件之一。他們表演一種宇宙之舞,巨大的力量把他們拉在一起,把他們曾經圓形身體變形成粗糙的長方形。只需幾毫秒——不到一眨眼的時間——它們的外殼就會裂開,質量較小的中子星就會爆炸,變成一團血紅色的物質,而較大的恆星繼續變重。它不斷增長,變得越來越大,直到它再也不能抵抗重力。中子星搖擺不定,但最終變成黑洞。正是在這些事件中,科學家們假設一種危險的、不可預測的物質可能被拋入宇宙。

它可能已經存在於地球上,存在於我們的水中,或者隱藏在北極的隕石中。這種奇怪的物質就像一種病原體——感染並將正常物質轉變成完全不同的東西。正如物理學家愛德華·法希所描述的那樣,「任何與這種物質接觸的東西都會被它吞噬,在亞原子水平上改變,直到正常物質本身轉化為非正常物質。」

哈爾斯-泰勒雙星系統是迄今為止發現的第一顆雙星脈衝星。兩顆中子星,其中一顆可以被稱為脈衝星,它們圍繞彼此運行,預計會在災難性的碰撞中相遇。它們將產生一個黑洞,噴出相當於太陽質量10%的物質。這些物質中的一些可能以奇異物質的形式存在。人們認為中子星內部存在著奇怪的物質。這些中子星是在大質量恆星核心耗盡所有燃料並坍塌後留下的,在這個過程中產生了豐富的超新星。電子和質子合併成中子,在半徑約10公裡的時候達到最大密度。人們對中子星的內部了解甚少,但有證據表明,奇怪的物質可能就在離子、電子和氣體的薄殼下面。一些假設表明,甚至可能沒有中子星這種東西,我們懷疑是中子星實際上都是一顆陌生的恆星。

普通的中子星在其殼下應該有一種幾乎完全由中子構成的流體。這是中子,一種神秘而密度極高的物質。僅僅一勺就比地球上最高的山還要重。但是這種中子並不存在於任何地方——它僅存在於中子星的中心,在那裡巨大的壓力可以使中子融化成夸克。畢竟,中子不是基本粒子。夸克是。

計算機模擬顯示了脈衝星周圍的環境。脈衝星是旋轉的中子星。這裡顯示的是帶有粒子路徑的電場和磁場。電子是藍色的,反物質是紅色的。夸克是粒子的基本單位。物質由上夸克和下夸克組成,因為這兩種夸克是六種夸克中最穩定的。其他四種夸克是在高能事件中產生的,比如粒子加速器實驗或宇宙射線。正常情況下,中子是由一個上夸克和兩個下夸克組成的,但在中子星的極端環境中,其中一些粒子可能會發生轉換。當中子融化成夸克時,一半的下夸克被轉換成奇異夸克,所以現在有三種相同數量的夸克:奇異夸克、上夸克和下夸克。由這三個夸克組成的物質就是我們所說的奇異物質——在深不可測的壓力下鍛造而成,最後被認為存在於宇宙之初。

但是大爆炸後的奇怪物質不可能一直存在到現在。當科學家們考慮到宇宙的早期狀態、熱力學和奇怪物質的預期屬性時,分析一次又一次地表明,奇怪的物質會隨著溫度的冷卻而蒸發,持續到大爆炸後的一秒鐘。這種蒸發也是奇異物質不能成為令人信服的暗物質候選者的主要原因。

因此,要發現奇異物質,唯一可行的地方就是我們所說的「中子星」的中心。

如果這個奇異夸克物質也是物質的理想狀態,那麼任何與它接觸的中子都會想要轉換過來。奇怪的物質是穩定的,密度更大,由它構成的中子星可能比任何東西都更持久。這些都是普通物質會覺得有吸引力的特性。

一個中子進入奇怪的物質並溶解它的夸克,降低它的能量。這種較低的能量狀態更穩定——可能是整個宇宙中最穩定的能量來源。隨著中子和質子滲入到這種奇怪的物質中,任何釋放出來的能量都將進一步把更多的物質轉變成奇怪的物質。一個移動速度足夠快的奇怪物質可能會進入一顆恆星或行星,從內到外改變它,就像一種細菌培養物一樣繼續生長。這是關於地球死亡最聳人聽聞的場景之一:地球被一股不可阻擋的奇怪物質洪流撞擊併吞噬。這就是為什麼有些人把奇怪的物質稱為「宇宙中最危險的物質」。

然而,我們沒有辦法知道奇怪的物質是否真的穩定。儘管我們已經在地球上的隕石樣本和宇宙射線中尋找過它,但從來沒有任何確定的發現。這些奇怪的物質需要什麼條件才能在一個行星內蔓延?

一顆名為3C58的脈衝星停在距離地球1萬光年的天空中。雖然它的溫度應該是150萬攝氏度,但它的表面溫度不到100萬攝氏度。核心的夸克物質會利用來自中子星的熱量作為能量來源,將夸克轉換成奇異夸克。地球上存在的任何奇怪物質都必須是極小的,其半徑只有幾百飛米。再大的話就會因為太重而無法停留在地殼表面,那麼只能下沉到地核。奇異物質被允許停留在地殼上而不被消耗的原因是人們認為奇怪的物質帶正電荷。地球上的物質也帶正電荷。因此,它們會互相排斥。奇異物質只有兩種方式可以吞噬我們的世界:一種是帶負電荷(大多數科學家不相信這是真的),另一種是用足夠的動能克服庫侖勢壘。庫侖勢壘是阻止正奇異物質粒子和正地球物質粒子相互作用的斥力。

要實現這個世界末日場景,有很多要求。奇怪的物質必須存在,穩定,處於與地球的碰撞過程中,並且要麼具有巨大的動能,要麼帶負電荷。

我們考慮過在大型強子對撞機等地方製造奇怪的物質。解剖奇怪的物質就像挖出一塊化石,希望它能幫助我們了解在我們出現之前很久發生的事情。它不僅填補了宇宙歷史的空白,還告訴我們宇宙中最奇怪的中子星的核心發生了什麼。

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