大爆炸遗迹深藏坍塌恒星心脏
中子星是已知宇宙中最极端的天体之一。在超新星爆炸中大质量恒星核心剧烈坍塌产生，它们将大于太阳的质量压缩成城市大小的球体，产生如此极端的密度，以至于其内部物质的本质仍不确定。现在，越来越多的理论和观测证据表明，中子星核心可能含有一种自宇宙仅有千分之一秒时以来就未曾自由存在的物质状态：quark-gluon plasma（夸克-胶子等离子体），即大爆炸的原始物质。
Quark-gluon plasma是宇宙年龄不足百万分之一秒、温度超过数万亿度时存在的物质相。在这些条件下，夸克——质子和中子的基本成分——不被束缚在复合粒子内，而是作为自由粒子存在于炽热、密集的物质汤中，与传导强核力的胶子混在一起。随着宇宙冷却，夸克被永久束缚在质子、中子和其他强子内，quark-gluon plasma在自然条件下不再作为自由相存在。
但在中子星内部可能例外。计算表明中子星核心的密度可能足够高，足以溶解单个核子之间的边界，重现夸克自由漫游的条件——形成一种冷的、密集的夸克物质形式，不同于早期宇宙的炽热等离子体，但遵循相同的基本物理规律。证实这一点将代表现代天体物理学和核物理学最重大的发现之一。
迄今为止的证据
中子星内部quark matter的证据来自多个间接方向，单独看都不具有决定性。最有力的约束来自LIGO和Virgo对中子星合并时释放的引力波的观测。当两颗中子星相互盘旋并融合时，它们发出的引力波携带有关恒星内部结构的信息——特别是它们在彼此引力场中的形变能力，这个特性叫做潮汐形变性。标志性的GW170817事件中测得的潮汐形变性约束了中子星状态方程的方式，一些理论模型表明这些约束最自然的解释就是恒星核心中存在夸克物质。
对中子星质量和半径的X射线观测提供了补充约束。国际空间站上的NICER仪器已经以足够的精度测量了几颗中子星的大小，从而约束了它们的内部结构。质量和半径的联合测量可以排除某些理论状态方程，偏好其他方程，缩小可能内部成分的范围。目前的NICER数据并未决定性地识别出夸克物质，但与它在最密集的已知中子星中的存在一致。
挑战在于中子星内部无法直接观测，关于中子星密度物质行为的理论计算极其困难。量子色动力学（QCD）——管控夸克和胶子相互作用的理论——可以在原子核密度和早期宇宙quark-gluon plasma的极端密度下使用lattice QCD方法进行计算，但对应于中子星核心的中间密度仍处于当前理论方法不可靠的范围。这种不确定性并非物理学的失败，而是计算的真正前沿。
科学家认为如何证实它
证实中子星中quark matter的途径经过改进的引力波探测器灵敏度、更精确的中子星半径测量和关于致密核物质的理论进步。下一代引力波探测器——欧洲的Einstein Telescope和美国的Cosmic Explorer——将以大幅提高的灵敏度观测中子星合并，可能测量到当前探测器无法检测的合并后引力波信号，这些信号携带有关夸克物质在暴力碰撞和融合过程中发生情况的信息。
合并后信号特别具有信息量，因为它取决于物质在密度大幅超过合并前恒星密度时的行为。如果夸克物质存在并在合并期间经历相变——当密度达到峰值时从普通核物质变为非约束夸克物质——引力波频率内容将携带该相变的独特特征。对这些特征的理论预测是一个活跃的研究领域，未来的探测器可能灵敏度足以观测到它们。
实验室实验也有助于这一图景。CERN的Large Hadron Collider和Brookhaven的Relativistic Heavy Ion Collider中的重离子碰撞在短暂的瞬间创造微型quark-gluon plasma，提供关于高温下夸克物质特性的实验数据，可以约束外推至与中子星内部相关的高密度、低温范围。这些范围之间的理论桥梁不完美，但随着核理论的进步而改善。
这对物理学的意义
证实中子星中的夸克物质将是核物理学和天体物理学同时的里程碑成果。它将确立由量子色动力学预测、在实验室粒子加速器中短暂创造的物质相作为宏观天文天体的稳定成分存在——在非凡的条件范围内验证该理论，并将夸克的微观物理学与紧密天体的天体物理学联系起来。
这一发现还将加深对中子星状态方程的理解——这些天体内部压力和密度之间的关系——这是核天体物理学的核心开放问题之一。更好的状态方程改进了超新星塌陷、中子星形成、合并时的引力波发射模型，以及中子星合并中产生大部分金、铂和其他重元素的r-process核合成。
对极端密度下强核力感兴趣的物理学家来说，中子星是没有任何地球实验能复制的自然实验室。每一项对其内部结构的新观测约束都是无法在地球上直接创造和研究的物理学的窗口，使表征中子星内部的项目成为当前追求的天体物理学和基础物理学最高效的交叉点之一。
本文基于Space.com的报道。阅读原文。
Originally published on space.com
