宇宙中真的有水滴？就是……揮舞熒光棒的那種_風聞

原創：中科院物理所

在1967年8月6日，約瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell）正在觀察一支紅筆在移動的記錄紙上畫出的波浪線——這是她用射電望遠鏡觀察遙遠的星系得到的博士課題數據。她注意到一個波浪線看起來很奇怪。貝爾現在是牛津大學天體物理學客座教授，她在辦公室裏告訴我，那是一個“細小的雜峯”。這個“雜峯”是一系列間隔1.3秒的尖鋭脈衝。貝爾接下來幾個晚上都在持續觀察它。

記錄着脈衝信號的紙帶

在接下來的幾個月裏，貝爾、她的博士導師安東尼·休伊什（Antony Hewish）和一些同事們緊緊地保守着這一發現的消息，同時檢查所有可能的選項，尤其是這是否可能是來自外星智能的信號。貝爾半開玩笑地回憶説，在她的論文答辯前半年，一羣外星人聯繫我們的星球並劫持她的博士項目，她對這種可能性並不感到興奮。

中子星碰撞想象圖

天文學家們被中子星碰撞的對稱性所震撼。

12月21日，在去度假之前，貝爾再次去查看數據。她發現了另一個波浪線，與第一個信號都來自我們銀河系的同一個部分。這讓貝爾鬆了一口氣：不可能有第二組外星人也在同一時刻從天空的另一部分向地球發出信號。這些脈衝一定來自一種新的、未知的天體。

中子星的自轉現象示意圖

然而這個認識並不比“發現外星人”的解讀靠譜。非常短的脈衝意味着一個小的天體，大約十分之一光秒，這比地球大不了多少。然而，脈衝的極端規律性意味着巨大的能量儲備，這説明該物體按理説必須是巨大的。他們的發現一經發表，一位描述這一發現的科學記者安東尼·米歇利斯（Anthony Michaelis）就給這個新天體起了一個廣為人知的綽號：脈衝星。

微小的半徑和巨大的質量使貝爾、休伊什和同事們認為它是一個被理論家稱為中子星的天體。幾十年後的今天，天體物理學家仍然不知道這些天體內部究竟發生了什麼。但是去年夏天，《天體物理學雜誌快報》上發表了一篇引人注目的文章，貝爾等人報道了一顆比我們的太陽重2.35倍的中子星，這是已報道的最重的中子星。儘管並不是每個人都認可這一觀測，但它仍在合理的範圍內。被公認最重的中子星有2.08個太陽質量，還有幾顆超過2個太陽質量——比一些理論家認為可能的更重。這使他們重新思考當物質被推向極限時會發生什麼。

藴含巨大能量的中子星

把直徑140萬千米的太陽的質量塞進一個直徑僅20千米的體積裏，就會得到中子星。它是我們所知道的由普通物質構成的最緻密的物體，僅比黑洞差一點。在我們的銀河系中可能有幾億顆中子星。

把一顆星星壓縮到一個城市的大小，即使對於自然界的基本力來説也不是一件容易的事。物質傾向於抵抗壓縮，這就是為什麼行星和恆星通常不會在自身重量下塌縮。當一顆普通恆星足夠大，比太陽重8到15倍，又耗盡了所有的核燃料並被壓縮到極端密度時，中子星就誕生了。恆星的外層在超新星爆炸時被拋射到宇宙空間中，而核心殘留為中子星。

恆星的演化歷程示意圖

物理學家認為中子星有點像雞蛋，有殼（外殼）、外核（蛋清）和內核（蛋黃）。外殼由鐵核組成，因為鐵這種元素是核聚變過程的終點。如果向中子星的內層走，壓力不斷增加。核子（即質子和中子）會被緊緊壓在一起，使它們變成奇怪的形狀。物理學家稱這個區域為“核麪糰”。

在外核中，鐵核分解成質子和中子。質子本身並不能持久存在。它們與電子融合形成更多的中子。這個過程產生由中子組成的液體，即所謂的中子湯。它不是普通的液體，而是一種違背了我們對流體流動的許多直覺的超流體。如果你在地球上將一些超流體放在燒杯裏，它會沿着杯壁往上爬！

中子星內部物質密度分佈示意圖

到目前為止，中子星的物質組成雖然奇怪，但完全在物理學家在實驗室中經常研究的條件範圍內。再深入一點到內核，那裏就是完全的謎團。中子星的核心比原子核更緻密。理論家不知道那裏的中子是否仍然完整，或者它們是否進一步分解成更小的粒子——夸克。極低温和超高壓理論上可能導致一種夸克果凍的狀態的形成。

很難想象如何研究這種極端的物質，它按定義處在瀕臨坍塌成黑洞的邊緣狀態。但是，只需考慮兩個數字：中子星的大小和質量，你就可以取得驚人的進展。這兩個數字反映了內核中物質形態的可壓縮性。為了描述這種可壓縮性，物理學家提出了一種所謂的狀態方程，它將密度與壓力聯繫起來。有許多不同的模型提出不同的組成，每個模型——每個狀態方程——都預測中子星的大小和質量之間存在某種特定關係。對於給定的密度，中子星越重，壓力就必須越高。

中子星示意圖

把我們太陽的質量塞進一個直徑為20公里的體積裏，這就是一顆中子星。

天文學家有一系列技術來測量中子星的質量。其中最好的方法之一是通過脈衝星定時：持續數年甚至數十年的尺度上測量脈衝的規律性。中子星的半徑則更難精確測量。

科學家從多個方面解決這個問題。他們結合核理論和引力波、射電脈衝、X射線的實驗觀測。X射線數據是一項特別重要的新發展，來自美國航天局於2017年在國際空間站安裝的NICER（Neutron Star Interior Composition Explorer，中子星內部組成探測器）儀器。達姆施塔特工業大學的研究人員阿希姆·施温克（Achim Schwenk）在分析NICER數據時説：“如果內核中有與中子和質子不同的物質，觀察重中子星是看到它的跡象的最好機會。”

中子星吞噬伴星物質併產生射流

當中子星處於雙星系統中時，中子星和它的伴星的運動對兩個物體的質量都很敏感。其中一個物體是另一個物體的重量標尺，反之亦然。另一種方法是研究中子星碰撞時的變形程度。變形性告訴我們，當另一箇中子星靠近時，引力潮汐力壓縮中子星有多困難。2017年，兩個引力波探測器——美國的LIGO和意大利的Virgo——探測到了時空中微小的漣漪，創造了歷史。這些漣漪是由兩顆中子星相撞擾亂了宇宙的結構而引發的。就在上週，天文學家研究這一事件的餘波時發現，早期的碎片，即“一團富含重金屬的火球”，比預期更為對稱。

雙中子星產生的引力波示意

通過各種技術，理論家們逐步排除候選的狀態方程。比太陽質量大兩倍的中子星的發現表明，內核內部的物質不會太像果凍——它必須非常堅硬才能支撐這樣的質量。但是LIGO和Virgo測量的變形性表明，狀態方程並不太堅硬。

然而，僅靠天文觀測是不夠的。正如佛羅里達州立大學的研究人員豪爾赫·皮卡雷維奇（Jorge Piekarewicz）所稱，中子星核心的密度範圍巨大，從大約原子核密度的一半到的其五至六倍——在恆星內部形成一種“密度階梯”。他和其他人必須運用不同的理論方法來描述中子星的不同層次：殼、內核等。沒有一種單一的技術能夠確定整個狀態方程。因此，研究必然是跨學科的。皮卡雷維奇説：“這為許多領域提供了獨特的協同作用，旨在理解在地球實驗室無法複製的條件下物質的結構。”

中子星想象圖

核物理實驗可以接近重複出這些條件。一種方法是使用粒子加速器碰撞諸如金這樣的重核，——例如，德國GSI海姆霍茲重離子研究中心的施韋里奧寧同步加速器18。碰撞是在飛米尺度上模擬中子星合併的過程。它們將物質壓縮到原子核密度的幾倍，模擬外核和內核的條件。施温克説，這些碰撞中關於狀態方程的信息與天文物理學的約束非常一致。

在這種密度下，亞原子粒子的細節會表現出很大的不同。中子和質子通常被認為是相同大小的，實際上，在中子數大於質子數的原子核中略有不同——中子有一個附加的殼層，或者用行話來説是“皮膚”。皮卡雷維奇和他的合作者們認為，這層皮膚越厚，中子產生的壓力就越大，對於給定的質量，中子星就會越大。由弗吉尼亞大學的肯特·帕施克（Kent Paschke）領導的一個實驗小組在弗吉尼亞州紐波特紐斯的傑斐遜實驗室測量了中子皮膚，以驗證這一理論。

原子核內物質示意

然而，結果又帶來了一個新的驚喜。傑斐遜實驗室的實驗表明，中子星物質非常堅****硬，比引力波觀測所暗示的更堅硬。假設兩者都是正確的，那就呈現出一個悖論。這可能意味着在中子星內部發生了一些新的事情——也許是一種意想不到的狀態變化，將夸克果凍變成了更奇怪的東西。“如果這個堅硬-軟-堅硬的結果能夠得到證實，這表明中子星內部可能發生相變。” 皮卡雷維奇説，“至於相變到什麼——是夸克、超子還是其他東西——現在下結論還為時過早。”

約瑟琳·貝爾在1967年夏天的那個夜晚發現的奇怪的“碎片”永遠改變了天文學。它為我們打開了一個窗口，讓我們看到了宇宙中最極端的物質。中子星可能不是外星人，但尋找它們的組成同樣引人入勝。

作者：KATIA MOSKVITCH

翻譯：雲開葉落

審校：小聰

原文鏈接：Giant Zombie Atoms of the Cosmos