宇宙中最极端的物质
在大爆炸后的最初微秒中，宇宙的温度和密度都极高，以至于夸克和胶子——质子和中子的基本构成成分——无法结合成复合粒子。相反，它们作为自由流动的等离子体存在，这种物质状态极其奇异，只在地球上的高能物理实验中被短暂重现过，比如CERN的大型强子对撞机和Brookhaven的相对论性重离子对撞机，其中金或铅核以接近光速的速度碰撞，短暂地重现了早期宇宙的条件。
随着宇宙冷却，这种夸克-胶子等离子体经历了相变，夸克被永久地禁闭在质子和中子内部。从那时起，它就不再在宇宙中自由存在过。或者说，物理学家们是这么认为的。但新的理论工作和观测证据正在汇聚出一个显著的可能性：夸克-胶子等离子体或密切相关的夸克物质相，可能今天存在于中子星的核心，其中由引力压缩达到的密度与夸克禁闭被打破的密度相当或更高。
中子星作为自然物理实验室
中子星是大质量恒星爆炸的遗迹——通常质量在太阳质量的1.4到2.3倍之间的物体被压缩成一个直径约20公里的球体。其核心的密度非常大，达到原子核密度的数倍。在这些条件下，稠密核物质的行为由量子色动力学管理，在这个范围内计算极其困难，我们的实验知识也很有限。
在最高的密度下，理论模型出现了显著的分歧。一些模型预测核物质保持为普通的中子和质子物质。其他模型预测向夸克物质的转变，其中单个夸克从其核子束缚中被解禁，在恒星内部相对自由地流动——这是存在于炽热早期宇宙中的夸克-胶子等离子体的一个冷的、稠密的类似物。
观测证明的途径
关键是状态方程：星内压力和密度之间的数学关系，它决定了其质量、半径和潮汐形变。不同的中子星物质模型预测不同的状态方程，因此预测不同的可观测的恒星性质。
来自中子星合并的引力波观测，从2017年的标志性GW170817事件开始，已经对状态方程施加了显著的约束。该事件的潮汐形变测量——每个中子星在碰撞前在另一个的引力场中变形的程度——排除了最硬和最软的状态方程，缩小了允许的内部结构范围。未来的引力波观测与改进的探测器相结合，加上NICER X射线望远镜对中子星半径的测量，可以进一步缩小允许的范围——有可能达到夸克物质核心的存在或不存在变得可以区分的程度。
这为什么重要
中子星中是否存在夸克物质的问题不仅仅是学术问题。如果确认了夸克物质核心的存在，它将代表早期宇宙物理学和现在宇宙中最稠密物体的物理学之间的深刻联系。大爆炸和每一个大质量恒星的恒星遗迹内部将共享一种基本的物质形式——这种连续性表明了物理法则在极端条件下的深刻统一性。
从实践的角度来看，中子星中的夸克物质将影响这些恒星在合并期间的表现、它们形成后冷却的速度，以及两个中子星碰撞前在暴力的最后几秒中发生的事情。如果它们碰撞可能形成黑洞。理解这些细节对于解释来自中子星合并的引力波和电磁信号很重要——这些信号提供了我们目前对Hubble常数的最佳测量，并携带了关于重元素（包括金和铂）的天体物理来源的信息。
前进的道路
下一代引力波探测器——欧洲的Einstein望远镜和美国的Cosmic Explorer——将以比当前仪器高几个数量级的灵敏度和频率观测中子星合并。结合持续的NICER观测和下一代X射线望远镜，它们将生成所需的数据集，以确认或明确排除中子星内部的夸克物质。在未来十年内，物理学中最古老的问题之一——物质在最极端压缩下最终会发生什么——可能最终会有一个观测答案。
本文基于Space.com的报道。阅读原文。
Originally published on space.com
