科学家终于“撬开”中子星,看到了核心区域滚动的夸克汤

发布网友 发布时间：2023-08-16 02:11

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热心网友 时间：2024-03-12 04:51

在60年前，人们还认为质子和中子是物理学中的基本粒子，不可再分。

可是，在1964年的时候，盖尔曼提出了夸克假说，指出质子和中子其实都是由夸克组成的，其中质子由2个上夸克（每个带2/3正电荷）和1个下夸克（带1/3负电荷）组成，中子由1个上夸克和2个下夸克组成。除了上下夸克之外，还有奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克四种夸克，可以组成其他重子。

虽然盖尔曼的说法逐渐被人们信服，但是科学家们始终无法检测夸克的存在。不论他们如何用越来越强大的粒子对撞机进行撞击，都无法从质子中轰出夸克来。为了解释这个现象，科学家们提出了夸克禁闭的概念，指出随着夸克之间是通过一种叫做“胶子”的粒子相互吸引的，并且随着距离越远，胶子为夸克之间提供的作用力反而越强，因此越难被分离，导致我们无法单独观测夸克。

实际上，尽管有夸克禁闭存在，但科学家相信，在足够苛刻的条件下，夸克和胶子也可以像原子核与电子一样被分离。原子核与电子分离的状态，也就是物质在固液气之上的第四种状态——等离子态。而夸克和胶子的分离，也可以看作是夸克版的等离子态，科学家们甚至起了一个颇有味道的名字——夸克汤。

夸克汤绝对是宇宙中最难“烹饪的一碗汤”，它需要的条件极其苛刻，以至于在930亿光年的宇宙里、138亿年的岁月中，它都极少会出现。根据科学家的分析，在宇宙大爆炸后20微秒（0.00002秒）左右，我们才可以看到大量的夸克汤充斥着宇宙。在此之前，宇宙只有光子存在；在此之后极短暂的时间里，宇宙的温度就下降到不足以再让夸克和胶子分离，形成质子和中子或者其他粒子了。

不过，科学家相信，当今的宇宙中，我们仍然可以找到夸克汤。这种神奇的状态，就位于同样神奇的天体内部——中子星的核心。

我们知道，中子星是致密星的一种，介于白矮星和黑洞之间。当一颗爆发的超新星内核质量超过1.44倍太阳质量，那么将会突破钱德拉塞卡极限，导致电子被压到质子中，合并为中子，这个天体就会变成中子星。而中子是不带电的，不存在质子之间正电荷相斥的问题，所以密度极大，仅仅1立方厘米的体积就有上亿吨那么重！

虽然我们通常说中子星是一颗由中子构成的天体，但科学家在差不多40年前的时候就提出：一些较大的中子星可以在核心区域形成更加恐怖的压力和温度，导致中子也会被彻底压碎，导致内部的上夸克和下夸克分崩离析，转化为奇夸克。甚至有人推测，在中子星和黑洞之间，可能还存在着一种过渡天体，那就是夸克星。

这些说法至少在理论上都是成立的，当初的中子星理论也是在类似的过程中被预言，然后在30年后被发现并证实的。因此，科学家们长期以来，一直致力于寻找中子星的夸克核。

赫尔辛基大学和赫尔辛基物理研究所的理论物理学家Aleksi Vuorinen指出：“自从大约40年前首次被提出开始，中子星内部夸克核的确认一直是中子星物理学最重要的目标之一。”

想要了解中子星内部的结构，不是一件容易的事。我们不可能靠近它进行实地考察，即使靠近也不可能活着测量，即使侥幸活下来也不可能将它切开。那么，到底有什么办法，才可以让我们看到它的内部结构呢？

幸运的是，在2016年，我们终于找到了一种工具——引力波。在爱因斯坦预言它的几乎整整100年后，人类终于探测到了它，从此获得了一个天文学研究的利器。通过引力波，我们可以对宇宙深处一些重大的天文现象进行观测和分析。

机会说来就来。仅仅一年后，2017年8月17日，LIGO和VIRGO检测到了1.3亿光年外的中子星合并事件。虽然这次引力波信号仅仅持续100秒（实际上在引力波里还是比较长的），但科学家们获得了大量的重要信息。在两颗中子星逐渐靠近的过程中，它们都因为彼此强大的引力而发生形变。在这个千载难逢的瞬间，中子星隐藏在深处的内部结构暴露在了宇宙空间，也暴露在人类探测器的面前。利用这段期间的观测，Vuorinen等人终于观测到了中子星诡异的内部结构。

在结合了引力波的观测数据以及最新的理论量子物理学计算后，Vuorinen的团队最近在《自然物理学》杂志上发表了研究论文，向世人展示了他们的结论：从两倍太阳质量到接近理论质量上限（如果再高就会变成黑洞）的中子星，确实都存在一个夸克核，其范围达到了整个中子星直径的一半以上。

经过40年的研究和观测，夸克核终于接近证实。

之所以接近，是因为这个结论并没有完全证实。从科学家的严谨角度来说，不能直接给出如此肯定的答案。研究团队也明确表示：夸克核只是可以最直接解释观测到的现象的一种可能性，并不排除其他可能。计算结果表面，如果这些中子星的核心并非是夸克核，那么这里一定是在发生某些我们还不知道的不可思议的事情。

Vuorinen指出：“所有的中子星都是仅由原子核物质（即中子）组成的可能性仍然非常小，但并不是0。我们所能做的，就是量化这种情况下会发生什么。简单来说，致密原子核物质的表现势必会极其诡异。比如说，声音的速度几乎可以达到光速。”

对于科学家来说，研究这种夸克核不仅可以了解中子星内部，更可以帮助我们理解宇宙诞生的过程。我们刚才提到，宇宙大爆炸后仅仅几十微秒的时间里，宇宙就处于夸克汤的状态。因此，中子星内部的夸克核可以很好地还原当时宇宙的物理性质，告诉我们最原始的宇宙是如何演化的。

虽然科学家们前些年也成功在实验室中造出了夸克汤，但是不仅难度过高，而且保持的时间非常有限，也给科学家的研究带来了一定的*。如果我们能持续对中子星的夸克核进行研究，将会获得大量重要的研究资料。

在2017年后，LIGO和Virgo已经协作完成了第二次对中子星合并的观测。随着科学家对引力波的利用越来越游刃有余、人类观测设备捕捉到中子星合并的事件越来越多，我们将会更加了解夸克这种粒子以及夸克汤这种神奇的状态。

正如Vuorinen所说的那样：“我们有理由相信，引力波天体物理学的黄金时代才刚刚开始，不久的将来，我们将会见证更多这样的突破，获得对自然新的理解。”