中子有了中子星,夸克卻還發現夸克星

2020-12-04 塵世曉書僮

中子有了中子星,夸克卻還發現夸克星,這是怎麼回事呢?

雙中子星合併

中子星目前已經在宇宙中觀測到,而至今也沒有在宇宙中找到夸克星的蹤跡,夸克星只是一種理論上存在的天體。假如夸克星存在,那麼,它們是一種比中子星更為緻密的天體。理論上,中子星和夸克星都是大質量恆星的演化終點,造成它們組成上存在區別的本質原因是質量的不同,夸克星要比中子星的質量更大。首先,我們簡單來了解一下中子星是怎麼形成的。

內部結構

恆星通過內部核聚變反應能夠產生很強的輻射壓,這種向外的壓力與自身重力相平衡。對於質量大於太陽8倍的恆星,它們核心區域的氫轉變為氦之後,通過氦核作用,還能逐漸聚變出更重的元素,一直可以到鐵、鈷和鎳等重元素。而到了鐵元素開始核聚變之後,恆星將會迅速失衡。這是因為鐵的核聚變反應吸收的熱量多於釋放的熱量,從而導致恆星內部的輻射壓急劇下降,恆星自身重力強烈擠壓核心,由此引發外部爆炸成超新星,而內部則因引力坍縮而轉變為中子星。

這裡簡單解釋一下為什麼會形成中子星。正常情況下,物質是由原子組成,原子又分為原子核和電子兩部分。如果物體的質量足夠大,自身重力會先把電子殼層壓碎,然後再迫使電子進入原子核中,並與質子相結合,最終轉變為中子。而如果物體的質量不夠大,中子的簡併壓力能夠維持結構穩定,使得引力坍縮停下來,這樣的天體就是中子星。理論上,中子星的下限質量為太陽的1.4倍,上限質量為太陽的3倍。

另一方面,由於中子是由夸克組成,有物理學家認為,如果恆星核心質量足夠大,中子將會被壓碎成夸克,結果產生由夸克簡併物質組成的夸克星。從這點來看,夸克星的質量高於中子星,並且它們要比中子星更為緻密。但由於夸克禁閉的限制,自由夸克應該無法存在,所以夸克星的存在性受到質疑。目前,中子星已經發現,但夸克星還沒有。

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    我們將在這裡介紹一種密度更大的恆星:中子星和夸克星。白矮星    中子星的密度為10的11次方千克/立方釐米, 也就是每立方釐米的質量竟為一億噸之巨!對比起白矮星的幾十噸/立方釐米,後者似乎又不值一提了。 事實上,中子星的質量是如此之大,半徑十公裡的中子星的質量就與太陽的質量相當了。
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    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。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。
  • 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。
  • 白矮星●中子星●夸克星●小黑洞
    由於內部極度高溫,有的中子星兩極會脈衝式地噴射出粒子流,所以又稱為脈衝星。中子星都會高速自旋。由於中子星保留了母星極大的角動量,但半徑只是母星的極小量,因此轉動慣量的減少,導致非常高的自轉速率。其周期從毫秒脈衝星的1/700秒到30秒都有存在,旋轉周期最快的脈衝星可以達到1100轉/秒。一顆中子星的逃逸速度大約在1萬~15萬公裡/秒之間,相當於1/2的光速(稱亞光速)。
  • 比中子星更加神秘,奇異夸克星真的存在嗎?科學家該如何發現它?
    白矮星內部絕大部分都是碳元素,此外還會有一小部分氧、氮、氫。而中子星的引力過於巨大,以至於電子都被壓進了原子核,與質子結合成為中子。因此,這種緻密星幾乎完全由中子構成,所以稱為中子星。中子是由夸克組成的,分別是兩個下夸克和一個上夸克。那麼問題來了:難道宇宙中就沒有一種夸克星嗎?或許,宇宙中就存在這麼一種神秘的天體,介於中子星與黑洞之間,那就是夸克星。
  • 經過40年的持續探索,科學家終於在中子星中發現了夸克核
    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。
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    夸克星是由奇夸克物質組成,它是在特別重的中子星裡形成的密度極端高的一種物質狀態。由奇夸克緊密結合在一起所構成的夸克星,整個星體幾乎就是單一的一個巨大的中子,相比較而言,白矮星只是密集的原子核,中子星則是一個巨大的原子核(中子團),而夸克星才是一個巨大的中子,不過黑洞就更厲害了,它的物質都集中在奇點處,已經不知道由什麼組成,理論上可以認為其體積為0,很是不可思議。
  • 新發現!迷你黑洞,還是巨型中子星?
    兩顆中子星碰撞的藝術概念圖Credit:Robin Dienel/The Carnegie Institution for Science然而,流體靜力平衡也有它的極限。總有那麼一個臨界點,物質再也抵抗不住重力,這個極限值大約比2倍太陽質量還要大一點。
  • 中子星的密度就是原子核的密度?為什麼地球還沒坍縮成中子星?
    2、中子星階段即便是是泡利不相容那無法存在完全一致量子態的電子簡併力,也是有極限的,而無限增加的質量將會壓垮這個結構,而這個質量極限就是穩定白矮星的質量上限:錢德拉塞卡極限,此時電子簡併力再也無法對抗引力坍縮,進入了原子核與正電荷的質子中和成了中子,從理論上來看物質就成了中子的海洋
  • 在中子星與黑洞之間,有一顆夸克星正在蠢蠢欲動
    ,最後形成黑洞,不過這篇文章我們並不是討論黑洞,也並非研究中子星,而是聊一聊最近在天文學界十分火爆的一種天體:夸克星。在20世紀上半葉,當時的物理學屆還認為構成物質的最基本單位是電子與核子,核子就是組成原子核的粒子,即質子與中子,不過後來粒子物理學家通過大型粒子對撞機進行試驗,發現中子和質子並非是組成物質的最基本單位,中子與質子由一種名為夸克的更小粒子組成,夸克理論的提出不僅僅獲得了諾爾貝獎,還啟發了天文學家,因為白矮星、中子星、黑洞與粒子物理是息息相關的,夸克的提出似乎預示著這樣一種情況,既然中子並非是最小單位
  • 科學家的假想——夸克星
    「原來如此,可是這和夸克星有什麼關係呢?」心心感覺媽媽講的都是題外話。「因為有科學家認為,在中子星和黑洞之間,還存在著某種恆星的最終形態,他們稱之為夸克星。」為了阻止進一步坍縮,中子間的斥力開始和他們自身的引力作鬥爭,如果斥力與引力達到平衡,就會形成中子星,反之就會繼續坍縮。此時,引力會使中子解體為更小的粒子,也就是夸克。而夸克之間同樣存在排斥,如果它們之間的斥力最終與引力相抗衡,便會阻止恆星繼續坍縮。從而形成夸克星。」「那它長什麼樣子呢?」心心好奇地問道。
  • 結合重力波數據,天文學家相信中子星有通用夸克核心
    中子星是宇宙中最小但密度最高的恆星,其內部中子和質子緊密堆積在一起,因此恆星本體幾乎可被視為一個巨大原子核。過去科學家一直不清楚中子星內部是否坍塌成另一種更奇特的夸克物質,現在新研究通過中子星碰撞之重力波結果推論出,其內部可能擁有夸克核心(quark cores)。
  • 研究表明:中子星的合併,可以產生夸克-膠子等離子體!
    中子星是宇宙中密度最大的天體之一,如果我們半徑為70萬公裡的太陽是一顆中子星,那麼它的質量將被凝聚成半徑約為12公裡近乎完美的球體。當兩顆中子星碰撞並合併成一顆超大質量中子星時,新天體核心中的物質變得非常熱和緻密。根據物理計算,這些條件可能導致強子,如中子和質子,溶解到它們的夸克和膠子成分中,從而產生夸克-膠子等離子體。
  • 灰洞的老巢,夸克星
    宇宙中最小的粒子是夸克,質子都由三個夸克組成,我們知道宇宙中有由中子組成的中子星,但還有一種由夸克組成的星體叫做夸克星。中子星的半徑是十至二十千米,而夸克星的半徑是中子星的一半,所以夸克星的半徑是五至十千米。
  • 天體物理學家承認,有一部分中子星可能是尋找已久的夸克星
    它認為自然界的基本費米子包括輕子與夸克,而規範玻色子傳遞著它們之間的相互作用。描述夸克之間強相互作用的基本理論為量子色動力學(QCD),它在高能標(高溫或高密度)極限下相互作用趨於消失,但在低能標情形夸克之間存在很強的耦合。高能微擾QCD非常成功,實驗與理論很好地吻合;但QCD的低能非微擾行為卻比較複雜,認識相對不足。事實上,當今高能物理領域極具挑戰性的課題之一就是研究QCD的非微擾效應。
  • 揭秘夸克星,你從未聽說過的神秘天體!
    在浩瀚的宇宙中,有各種各樣的天體,你所熟知的無非便是黑洞、中子星、恆星、白矮星、行星等,但你有聽說過夸克星嗎?沒錯,你沒聽過,夸克,這是比中子還要小的物質,也是組成中子的基礎單元。我們其實無法直接觀測夸克,只能從夸克互相結合而形成的強子中來間接觀測夸克,質子和中子便屬於強子。
  • 中子星產生的奇異物質,科學家推它將是無敵的
    科學家推測,宇宙中就有這樣的物質,它存在於中子星的核心被稱為奇異物質。要想知道奇異物質是什麼?那就要從最基礎的中子星開始說起。 |什麼是中子星?在說這種變化之前,我們先來了解一下原子核中原本都有些什麼,原子核裡面是質子和中子,它們由更小的粒子夸克組成。夸克永遠不會單獨出現,如果你硬要把它們拆開,它們會用你的這股力量去形成新的夸克。夸克有很多種類型,可只有組成質子和中子的上夸克和下夸克可以構成穩定的物質,其他類型的夸克會衰變得特別快。
  • 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
    中子星內部的高密度所帶來的高溫高壓將會使中子物質進一步壓縮,它會成為一種更為微小的物質,這種物質我們稱其為「夸克」。所謂夸克,簡單理解就是組成中子的更為微小的物質,而如果在中子星的內部,物質是以夸克的形式存在的,那麼我們也可以認為中子星的內部實際上就是一個大中子。
  • 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
    和中子星一樣,黑洞也是已經被證實客觀存在的宇宙天體,而且人類也取得了黑洞的照片。中子星顧名思義,就是由中子所組成的星體,那麼中子星上全部都是中子嗎?這也不一定。在中子星上,不同區域的物質密度是不同的。中子星是一種極為緻密的天體,在中子星的表面,物質的密度大約在每立方釐米8000萬噸以上,而在中子星的內部,物質的密度卻可能達到每立方釐米20億噸。中子星內部的物質密度是非常驚人的,這不能不讓我們懷疑,在如此高密度的星體內部,物質真的能夠保持中子簡併態嗎?很可能不行。
  • 超新星爆發或有第四種遺骸,介於中子星和黑洞之間,名曰夸克星
    現在我們知道,恆星不僅位置會改變,而且也不會永恆存在,總有「死亡」的那一天。而它們的死亡,就是所謂的超新星爆發。目前天文學家認為,恆星在超新星爆發之後,大約有三種不同的命運,它們可以變成白矮星、中子星或者黑洞。