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引力波是天體運動扭曲時空產生的向外傳播的時空漣漪,但是它是如此的微弱,以至於我們只能探測到宇宙中大質量天體碰撞產生的引力波。2015年,LIGO天文臺首次探測到黑洞碰撞產生的引力波,這標誌著引力波天文學進入一個黃金時代。
最近,天體物理學家探測到了迄今為止最奇怪的引力波信號。此次碰撞是在2019年8月被LIGO-Virgo聯合探測到的,研究人員對引力波的新分析結果發表在6月23日的《天體物理學雜誌快報》上。結果顯示,這次碰撞是一次黑洞與神秘天體的碰撞。之所以稱它為神秘天體,是因為該天體的質量為2.6倍太陽,而中子星的質量上限為2.5倍太陽,最輕的黑洞質量也是太陽的5倍。而且,由於此次事件的距離遙遠,大約為8億光年,因此科學家沒有探測到來自該事件的光。
許多專家表示,該神秘天體打破了我們對宇宙的認識,它有可能是我們見過的最重的中子星,也有可能是最輕的黑洞。但是,科學家提出了一種更有可能性的結果:它就是我們尋找很久的介於黑洞和中子星之間的夸克星。
夸克星的預測
我們知道恆星的質量非常大,它會在自身的引力下向內收縮,其產生的效果就是讓核心的溫度和壓力變高,核心中的元素就開始發生核聚變,產生更高的溫度和壓力來抵抗引力的收縮,這被稱為流體靜力平衡。
當恆星的氫元素開始消耗殆盡的時候,它就會開始聚變成氦、碳、氧等。此種聚變釋放的能量更快、更高,它會推動著恆星迅速向外膨脹。最後,外層向外爆炸成行星狀星雲,只留下了一個緻密的內核。而整個內核根據質量的不同,它可以形成白矮星、中子星或者黑洞。
眾所周知,原子是由質子、中子和電子組成,它們的自旋均為半奇數,因此它們是費米子,滿足泡利不相容原理。當恆星內核的質量小於1.44倍太陽時,它最終會形成白矮星,此時由泡利不相容原理形成的電子簡併壓力抵抗了自身引力的收縮。而1.44倍太陽質量被稱為錢德拉塞卡極限,是由印度物理學家錢德拉塞卡通過計算電子簡併壓力的極限得到的。
如果質量超過此上限,它會形成中子星。此時,電子簡併壓力已不能抵抗引力的收縮。核外電子被壓進核內,並和質子結合形成中子被釋放出中微子。此時,能抵抗引力的就只有中子的簡併壓力。1936年,奧本海默通過計算中子簡併壓力能抵抗的引力極限,得出中子星的質量上限為0.75倍太陽。今天,我們知道這個結果是錯的,因為中子星的質量上限為2.5倍太陽。但是聰明的科學家並不認為奧本海默的想法錯了,他們反而認為在中子星內部存在著另一種東西——夸克核。
由於中子星內部的壓力是如此之高,單靠中子簡併壓力是不可能支撐得住的,而且它的質量還不夠大,不能形成黑洞。因此,科學家認為在中子星內部的中子已經被壓碎成夸克了。2017年的中子星碰撞產生的引力波也能證明這一點,當兩顆中子星彼此靠近時,引力會造成它們的扭曲變形,而形狀改變能揭示其內部結構。這些信息都被存儲在引力波中。
中子星質量上限為2.5倍太陽,最輕黑洞為5倍太陽,在這質量間隙之間肯定還存在著未知的天體類型。而最新的通過引力波發現的2.6倍太陽質量的神秘天體可能就是預測已久的夸克星。