中子星的内部是湿软的还是固体?

作者:孙慧敏/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-09

要想知道答案,就必须先测出中子星的质量和体积。

中子星的内部是湿软的还是固体?

  8月17日凌晨,人类首次发现双中子星——无生命星体的稠密核碰撞发出的引力波,就像漫长的雷声穿过探测器,先进的激光干涉引力波天文台(简称LIGO)的物理学家们迫不及待想要破解这次时空振动。不过所有活动都是保密的,这些数据经过收集整理和分析然后被写成论文发表出来,至少需要两个月时间。17日下午,LIGO合作的两名成员乔斯林·瑞德(Jocelyn Read)和卡特琳娜·查齐亚诺(Katerina Chatziioannou)计划以“中子星合并后会像什么样”为主题讨论在深不可测的条件下中子星内部发生的变化。

  物理学家们花了几十年的时间来研究中子星是否含有新物质,他们发现质子和中子中还有夸克和其他奇异粒子之间的相互作用。回答这个问题还需要解释一些关于超新星的天文现象和宇宙中重元素(原子序数较大的元素,如金)的产生。

  除了使用LIGO观察引力波之外,天体物理学家们还尝试着探索出新方法来探测中子星,推断中子星的内部也是一种挑战。但是这次的引力波信号以及类似的信号——两颗中子星靠着吸引力来围绕着它们的质心旋转然后相互碰撞,为这个问题提供了一个全新的解决方案。

  怪异物质

  中子星是大质量恒星演化到末期,经由重力崩溃发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一,质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体。中子星的密度非常大,如果和太阳质量相同,那它只占据一个城市的空间。

  原子由致密的原子核及若干围绕在原子核周围带负电的电子构成。在晶体中,原子的电子壳层发生交叠,电子不再完全局限在某一个原子上,可以由一个原子转移到相邻的原子上去,电子可以在整个晶体中运动,如同形成了一片电子海,又称为电子的共有化运动。在原子核内部,质子转变成中子。

中子星的内部是湿软的还是固体?

  但是理论学家争论的是,当密度比正常原子核的密度高出两三倍时会发生什么。从核物理的角度来看,中子星只能是质子和中子——统称为核子之间的变化。石溪大学(Stony Brook University)天体物理学家詹姆斯•拉蒂莫(James Lattimer)表示:“一切都可以用核子的变化来解释。”这遭到了其他天体物理学家的质疑,核子并不是基本粒子,它们是由三夸克组成的。在巨大的压力作用下,这些夸克可能形成一个夸克物质的新状态。波兰弗罗茨瓦夫大学(University of Wroclaw)的物理学家大卫•布拉施克(David Blaschke)表示:“核子不是台球,反而有点像樱桃,在一定限度内你可以压缩它们,超过这个限度核子就会分裂。”

  长期以来,理论学家一直在推测中子星内是否会出现其他奇异粒子。中子之间的挤压所释放的能量可能会产生质量更大的粒子,它们不仅包含上夸克和下夸克——只构成质子和中子,还含有其他奇异夸克。

  然而几十年来,这个领域一直停滞不前。关于中子星内部可能发生的事情,理论学家们做了很多的猜想,但是中子星的周围环境对于地球人来说极端陌生,地球上的实验无法达到合适的条件。即使几十年前的夸克和原子核理论——量子色动力学(QCD)也不能提供准确的答案。研究量子色动力学的相关计算十分困难,需要在相对寒冷和稠密的环境中进行,甚至连计算机都无法计算出结果。

  研究人员被迫过度简化问题并选取一些捷径,而天文学家唯一的选择只能是自己研究中子星。不幸的是,中子星很遥远,在地球上,除了最基本的体积属性,很难再测量出其他信息。更糟糕的是,在中子星上的趣事还不是发生在表面。不过阿尔福德(Alford)表示:“在这个实验室进行的研究很有趣,但是我们能做的只是等待观测的结果。”随着新一轮的实验的进行,理论学家们可能很快就会得到他们的结果。

  湿软的?还是固态的?

  无论中子星的核心是什么,宽松的夸克,K介子冷凝物,超子,或是普通的核子,这个核所能承受的重力大小必须超过太阳的引力,否则,恒星就会坍缩成一个黑洞。但是当引力的作用下,不同的材料会被压缩到不同的程度,这也决定了恒星在给定物理尺度下的重量。而现在天文学家研究的中子星组成有助于了解中子星内部挤压时是湿软的还是固态的。同时,他们还需要测量各种中子星的质量和半径。

  就质量而言,最容易被称重的中子星是脉冲星——能快速旋转的中子星,每一次旋转发射的无线电波都能扫过一次地球。在已知的2500个脉冲星中,约有10%的属于双星系统。当这些脉冲星和伙伴星体一起移动时,它们持续不断地向地球上发射的脉冲也会变化,研究人员据此可以得知脉冲星的运动以及它在运动轨道上的位置信息。从轨道上看,天文学家还可以利用开普勒定律和爱因斯坦广义相对论的附加规则来解决这个双星系统的质量问题。

  到目前位置,最大的突破是发现了巨大的中子星。2010年,弗吉尼亚州国家射电天文台(National Radio Astronomy Observatory)的斯科特·兰森(Scott Ransom)领导的一个研究小组宣布,他们测量到了一个大约有两个太阳质量的脉冲星,比过去观测到的都大。有些人怀疑这些中子星是否真的存在,这影响到我们对原子核行为的理解。

  根据一些中微子-恒星模型,中子星在引力的强烈压缩下应该会坍缩成一个黑洞。这对K介子冷凝物来说是一个坏消息,因为它会特别湿软。同时对于某些夸克物质和超重子来说,这也不是个好兆头。2013年发现的另一颗中子星也证实了这一测量结果。

  不过半径是个更棘手的问题。亚利桑那大学(University of Arizona)的菲亚尔•奥泽尔(Feryal Ozel)等天体物理学家设计出了各种各样的方法,试图通过观测中子星表面发射出来的x射线来计算其物理尺寸。其中一个方法是:通过观测整个x射线的发射来估计中子星表面的温度,然后算出中子星需要多大的尺寸才能发射出这样的x射线。或者可以在中子星表面寻找热点,中子星的强引力场将会改变这些热点的光脉冲。一旦了解了中子星的引力场,研究人员就可以计算它的质量和半径。

  从表面上看,这些x射线的测量表明,虽然中子星质量很大,但是根据奥泽尔,它只有20至22公里宽。她表示,中子星的小半径是因为其内部有相互作用的夸克,如果只是由核子组成,那中子星的半径会更大。

  在众多批评者中,拉蒂莫(Lattimer)对测量x射线这个假设持保留意见,他认为这是有缺陷的,会导致得到的半径小于实际半径。

  当然,大家都希望这个问题最终得以解决。今年6月,太空探索技术公司(SpaceX)第11次向国际空间站运送一个重达372公斤的核子,里面装有一个名为中子星内部合成探测器(NICER)的x射线望远镜,这个望远镜是通过观察中子星表面的热点来研究中子星的大小。这次中子星包括已经测量过的脉冲星的半径测量,应该能得到较好的数据。

  布拉施克对此表示很期待。中子星的质量和半径测量至关重要,这次结果可能会推翻许多内部结构理论,那些能得到合适的中子星尺寸和重量的理论才能保留下来。

  现在,LIGO的加入更有利于数据的测量。8月17日发现的信号已经被视为两个黑洞的合并而不是两个中子星的碰撞而处理过,这也是合理的。LIGO之前的信号都来自于黑洞,从计算的角度来说研究人员对这方面可以说是轻车熟路了,所以更容易处理。但是这个信号涉及到较轻的物体,而且比黑洞合并的时间要长得多。瑞德说:“这显然跟我们之前计算的系统都不一样。”

  当两个黑洞一起盘旋时,它们将轨道能量以引力波的形式释放到时空中。但在这次90秒长的LIGO信号的最后一秒左右,每个物体都做了一些黑洞不做的事情——变形。这对伙伴开始拉伸和挤压彼此的物质,产生从运动的轨道中获取能量的潮汐,这促使它们比其他方式可以更快的碰撞在一起。

  在进行了几个月的计算机模拟工作后,LIGO的瑞德小组发布了他们第一次测量这些潮汐对信号的影响。到目前为止,这个团队只能设置一个上限,意味着潮汐的影响是微弱的,甚至几乎不明显。反过来,这也意味着中子星的体积很小,它们的物质紧紧围绕着中心,因此更能抵抗潮汐的冲击。瑞德说:“我认为第一个引力波测量在某种意义上确实证实了x射线测量解释的内容。”她还预计,对这个信号进行更复杂的建模可以得到更加精确的估计。

  NICER和LIGO对中子星内部物质都提供了新的研究方法,许多专家都乐观地认为,在未来几年内,这些物质是如何对抗引力将得到明确的答案。但是,像阿尔福德这样的理论学家却警告,仅仅测量中子星内部物质的湿软程度并不能完全揭示其究竟是什么。不过其他一些特征或许帮得上忙,比如,通过持续观察中子星的冷却速率,天体物理学家可以推测其内部的粒子及其辐射能量的能力;或者,观察中子星的旋转如何随时间放慢下来可以帮助确定其内部的粘度。

  阿尔福德认为,研究致密物质何时发生相变以及其最终变成什么也是一个值得努力的目标。“了解物质在不同的条件下的性质确实有点儿像物理。”

 

  蝌蚪五线谱编译自wired,译者 孙慧敏,转载须授权

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