坍缩星核心的创生遗迹
中子星是已知宇宙中最极端的物体之一。它们在超新星爆炸时由大质量恒星核心的剧烈坍缩而生，将比太阳更大的质量压缩到城市大小的球体中，产生如此极端的密度，以至于这些物体内物质的本质仍然不确定。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自宇宙诞生后数微秒以来就未曾以自由形式出现过的物质状态：夸克-胶子等离子体，这是大爆炸时的原始物质。
夸克-胶子等离子体是宇宙年龄不足百万分之一秒时存在的物质阶段，当时温度超过万亿度。在这样的条件下，夸克——质子和中子的基本构成单位——不被限制在复合粒子内，而是以自由状态存在于一个炽热的稠密流体中，其中还有胶子，即介导强核力的粒子。随着宇宙冷却，夸克永久地被限制在质子、中子和其他强子内，夸克-胶子等离子体在自然条件下作为自由物质不复存在。
除了可能在中子星内部。计算表明，中子星核心的密度可能高到足以消除各个核子之间的边界，重新创造夸克自由漫游的条件——这是一种冷而稠密的夸克物质形式，不同于早期宇宙的炽热等离子体，但由相同的基础物理学控制。证实这一点将代表现代天体物理学和核物理学中最重要的发现之一。
目前的证据
中子星内部存在夸克物质的证据来自多个间接方向，单独来看都不是决定性的。最有力的约束来自LIGO和Virgo的中子星并合的引力波观测。当两颗中子星相互螺旋靠近并合并时，它们发出的引力波携带有关恒星内部结构的信息——具体来说是它们在彼此引力场中的可变形程度，一个称为潮汐可变形性的特性。标志性的GW170817事件测得的潮汐可变形性对中子星状态方程的约束方式表明，某些理论模型最自然地被解释为恒星核心中存在夸克物质。
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尺寸，以便约束其内部结构。结合质量和半径测量可以排除一些理论状态方程并青睐其他方程，缩小合理的内部成分范围。当前NICER数据并未明确确定夸克物质，但与其在最致密的已知中子星中的存在一致。
挑战在于中子星内部无法进行直接观测，理论计算物质在中子星密度下的行为极其困难。量子色动力学——控制夸克和胶子相互作用的理论——可以使用点阵QCD方法在原子核密度和早期宇宙极端密度的夸克-胶子等离子体密度处进行计算求解，但对应中子星核心的中间密度仍然处于当前理论方法不可靠的范围内。这种不确定性不是物理学的失败，而是计算的真正前沿。
科学家认为他们如何能证明它
确认中子星内夸克物质的路径经过引力波探测器灵敏度的提升、更精确的中子星半径测量和关于稠密核物质理论的进展。下一代引力波探测器——欧洲的Einstein Telescope和美国的Cosmic Explorer——将以显著提升的灵敏度观测中子星并合，可能测量到当前探测器无法探测到的并合后引力波信号，该信号携带关于夸克物质在暴力碰撞和并合过程中发生什么的信息。
并合后信号特别具有信息量，因为它取决于物质在远超并合前恒星密度的密度下的行为。如果夸克物质存在并在并合期间经历相变——随着密度峰值，从普通核物质变为解禁夸克物质——引力波频率内容将携带该相变的特征信号。关于这些信号外观的理论预测是一个积极的研究领域，未来探测器可能足够灵敏以观测它们。
实验室实验也有助于这一描绘。CERN大强子对撞机和布鲁克海文的相对论重离子对撞机等设施进行的重离子碰撞在几分之一秒内以微观形式创造夸克-胶子等离子体，提供关于高温下夸克物质特性的实验数据，可以约束对与中子星内部相关的高密度、低温范围的推外推。这些范围之间的理论桥梁并不完美，但随着核理论进步正在改进。
这对物理学意味着什么
确认中子星内的夸克物质将是核物理学和天体物理学的里程碑式成果。它将建立由量子色动力学预测并在实验室粒子加速器中短暂创造的物质阶段在宏观天体物体中作为稳定成分存在——在非凡的条件范围内验证理论并将夸克的微观物理与紧凑物体的天体物理联系起来。
这一发现也将加深对中子星状态方程的理解——这些物体内压力与密度的关系——这是核天体物理学的中心开放问题之一。更好的状态方程改进了超新星坍缩、中子星形成、并合引力波发射的模型，以及中子星并合中的r过程核合成，该过程产生了宇宙中大部分的金、铂和其他重元素。
对于对极端密度下强核力感兴趣的物理学家来说，中子星是任何地球实验都无法复制的自然实验室。对其内部结构的每一个新观测约束都是一扇通向无法在地球上直接创造和研究的物理学的窗口，使中子星内部特征分析项目成为当前天体物理学和基础物理学最卓有成效的交叉领域之一。
本文基于Space.com的报道。阅读原文。
