连物理学家都猜错了：这种奇异天体的内部，竟如此匪夷...

Daphane

來源:环球科学


两颗中子星引力互相撕裂对方……

旋转的中子星（脉冲星）释放的X射线，可以用于探测中子星的直径。（图片来源：NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab）

　　中子星是宇宙中最神秘的天体之一，同时，这类致密天体的内部成分也充满了悬念：有理论认为，中子星的内部是一片夸克海洋。最近，一个中子星探测项目公布的初步结果，却指向了相反的结论……
　　撰文 | 乔纳森·奥卡拉汉（Jonathan O‘Callaghan）
　　翻译 | 杨楠
　　审校 | 吴非
　　在人类对宇宙的认知范畴里，中子星是一类独特的天体。它们源于超新星爆发，体积仅有一座城市大小，质量却与恒星相当。一直以来，科学家们都相信中子星内部有一些极端的物理学过程发生，甚至中子可能会分裂成一种叫做夸克的黏软物质。
　　然而，由于无法窥测中子星内部，我们必须依靠一些可测量的特征，比如质量和尺寸，来推断其内部组成。在中子星引力的作用下，夸克应该比中子更易被压缩。所以如果中子星内部充满夸克，那么质量越大，它的直径应该会更小。
　　但新的问题出现了：要测量远在数千光年之外，但只有城市大小的天体的直径，对于天文学家来说绝非易事。法国国家科学研究中心的理论物理学家米凯拉·奥尔特尔（Micaela Oertel）曾说，成功测量中子星的质量和大小将是“中子星物理学研究的圣杯”。
　　2017年，NASA研发的中子星内部组成探测器（NICER）被送往国际空间站，这台X射线望远镜试图探测中子星的诸多性质。2019年，它测量到一颗质量为太阳1.4倍、距离地球1000光年的中子星J0030的直径约26千米。


NICER工作示意图（图片来源：NASA‘s Goddard Space Flight Center）

　　最近，有两个团队利用NICER的数据，分别对距离地球3000光年的另一颗中子星J0740独立展开了分析。两个团队算出的直径基本一致，分别为24.8千米和27.4千米。研究已于5月初发布于预印本网站arxiv.org，但尚未进行同行评审。这一结果令人震惊，要知道，J0740的质量是太阳的2.1倍，是已知质量最大的中子星，比J0030还重50%左右，但两者的直径却几乎一致。
　　这一发现说明中子星虽然奇特，但还不至于奇特到消灭了中子。佛罗里达州立大学的理论物理学家豪尔赫·皮耶卡雷维奇（Jorge Piekarewicz）说：“这可能表明在中子星的核心，不至于出现奇异物质。”

　　中子星的相变

　　当一个质量约为太阳8~20倍的巨大恒星燃烧殆尽时，由于没有向外的压力来对抗恒星引力，这颗星球开始坍缩并爆炸，外壳向外抛散，只留下致密的核心快速收缩成和曼哈顿差不多大小的天体，也就是中子星。
　　中子星的核心位于由离子和电子构成的薄壳下方。在核心部分，质子和电子被紧紧挤压融合成一体，形成一个中子海洋。然而，穿过这些致密物质之后，在更接近中心的地方，可能有更匪夷所思的事情发生。科尔·米勒（Cole Miller）是马里兰大学的天体物理学家，也是测定中子星J0740大小的研究中的主要作者。他说：“那里不是独立的中子和质子，而是比中子和质子还小的夸克组成的海洋。但它们的诞生条件还是个谜。”
　　截至目前，有一些模型预测，质量足够大的中子星就能产生巨大的密度，导致中子和质子被分裂成更小的夸克——或许2.1倍太阳质量的J0740就能做到这一点。阿姆斯特丹大学的天体物理学家安娜·瓦茨（Anna Watts）说，由于中子星内部结构经历了由常规物质到相对“可挤压”的夸克物质的相变，“半径应该变小”。
　　另一些模型的预测则恰好相反：即使相变过程真的存在，它也只有在接近中子星坍缩成黑洞的临界质量时才会发生。（具体的临界点尚不明确，但通常认为是3倍太阳质量。）瓦茨说：“问题是，如果在高密度下会有奇异物质形成，那这个转变是从什么时候开始的？”


瓦茨说，如果像J0740这样的中子星经历过这种相变阶段，而且含有更多“可挤压”的夸克，它的直径应为9~16千米。但米勒表示，即使在考虑误差的情况下，研究人员已经确定了一个相当可信的最小直径：22千米。　　根据这项研究，中子星或许会在超过2.1倍太阳质量的某个时间点形成夸克，或者可能永远不会形成。相反，即使是在最极端的情况下，质子和中子也可能继续存在于中子星内部。瓦茨说：“看来最黏软的模型肯定要被排除在外了。”

　　旋转的星斑

　　NICER能成功测出中子星半径，要归功于中子星本身的行为——当中子星快速旋转时，表面热斑（类似于地球磁极，但强度远超后者）随着中子星一起旋转，并发出X射线。由于中子星的强大引力，即使是恒星远端发出的X射线也会弯曲并传播到我们这里。NICER可以精确测量这些X射线的到达时间，从而帮助科学家在光年之外重现中子星的大小。

　另一项研究也为NICER的发现提供了支持。在弗吉尼亚州杰斐逊（Jefferson）实验室开展的铅半径实验（PREx）将一束电子发射到铅中，并发现中子“皮肤”（也就是在铅原子中，中子占据的空间大小）大于质子“皮肤”。这一差异表明中子星直径应比先前预测的大至多2千米。PREx成员皮耶卡雷维奇说：“这与NICER的结论完全一致。”该研究结果发表在《物理评论快报》上。
　　NICER的结论尚处于早期阶段，因为还需要进一步核查。第三颗中子星的半径也正在测算过程中，其结果将对证明NICER现阶段结论的对错起到重大作用。NASA戈达德太空飞行中心的NICER项目科学负责人扎文·阿祖马尼安（Zaven Arzoumanian）说：“我们希望今年晚些时候能公布这颗中子星的直径，或许还会有一些其他信息。”
　　但就目前的结果来看，即使是宇宙中最致密的中子星都不至于“致密”到产生奇异物质。皮耶卡雷维奇说：“这是反对‘中子星核心发生剧烈相变’这一假说的第一个有力证据。”如果这个过程在中子星中都不会发生，它还会在其他地方发生吗？“恐怕不会。”皮耶卡雷维奇表示。