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科学家终于“撬开”中子星,看到了核心区域滚动的夸克汤

在60年前,人们还认为质子和中子是物理学中的基本粒子,不可再分。

科学家终于“撬开”中子星,看到了核心区域滚动的夸克汤

可是,在1964年的时候,盖尔曼提出了夸克假说,指出质子和中子其实都是由夸克组成的,其中质子由2个上夸克(每个带2/3正电荷)和1个下夸克(带1/3负电荷)组成,中子由1个上夸克和2个下夸克组成。除了上下夸克之外,还有奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克四种夸克,可以组成其他重子

虽然盖尔曼的说法逐渐被人们信服,但是科学家们始终无法检测夸克的存在。不论他们如何用越来越强大的粒子对撞机进行撞击,都无法从质子中轰出夸克来。为了解释这个现象,科学家们提出了夸克禁闭的概念,指出随着夸克之间是通过一种叫做“胶子”的粒子相互吸引的,并且随着距离越远,胶子为夸克之间提供的作用力反而越强,因此越难被分离,导致我们无法单独观测夸克。

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实际上,尽管有夸克禁闭存在,但科学家相信,在足够苛刻的条件下,夸克和胶子也可以像原子核与电子一样被分离。原子核与电子分离的状态,也就是物质在固液气之上的第四种状态——等离子态。而夸克和胶子的分离,也可以看作是夸克版的等离子态,科学家们甚至起了一个颇有味道的名字——夸克汤

夸克汤绝对是宇宙中最难“烹饪的一碗汤”,它需要的条件极其苛刻,以至于在930亿光年的宇宙里、138亿年的岁月中,它都极少会出现。根据科学家的分析,在宇宙大爆炸后20微秒(0.00002秒)左右,我们才可以看到大量的夸克汤充斥着宇宙。在此之前,宇宙只有光子存在;在此之后极短暂的时间里,宇宙的温度就下降到不足以再让夸克和胶子分离,形成质子和中子或者其他粒子了。

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不过,科学家相信,当今的宇宙中,我们仍然可以找到夸克汤。这种神奇的状态,就位于同样神奇的天体内部——中子星的核心。

我们知道,中子星是致密星的一种,介于白矮星和黑洞之间。当一颗爆发的超新星内核质量超过1.44倍太阳质量,那么将会突破钱德拉塞卡极限,导致电子被压到质子中,合并为中子,这个天体就会变成中子星。而中子是不带电的,不存在质子之间正电荷相斥的问题,所以密度极大,仅仅1立方厘米的体积就有上亿吨那么重!

虽然我们通常说中子星是一颗由中子构成的天体,但科学家在差不多40年前的时候就提出:一些较大的中子星可以在核心区域形成更加恐怖的压力和温度,导致中子也会被彻底压碎,导致内部的上夸克和下夸克分崩离析,转化为奇夸克。甚至有人推测,在中子星和黑洞之间,可能还存在着一种过渡天体,那就是夸克星

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这些说法至少在理论上都是成立的,当初的中子星理论也是在类似的过程中被预言,然后在30年后被发现并证实的。因此,科学家们长期以来,一直致力于寻找中子星的夸克核。

赫尔辛基大学和赫尔辛基物理研究所的理论物理学家Aleksi Vuorinen指出:“自从大约40年前首次被提出开始,中子星内部夸克核的确认一直是中子星物理学最重要的目标之一。”

想要了解中子星内部的结构,不是一件容易的事。我们不可能靠近它进行实地考察,即使靠近也不可能活着测量,即使侥幸活下来也不可能将它切开。那么,到底有什么办法,才可以让我们看到它的内部结构呢?

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幸运的是,在2016年,我们终于找到了一种工具——引力波。在爱因斯坦预言它的几乎整整100年后,人类终于探测到了它,从此获得了一个天文学研究的利器。通过引力波,我们可以对宇宙深处一些重大的天文现象进行观测和分析。

机会说来就来。仅仅一年后,2017年8月17日,LIGO和VIRGO检测到了1.3亿光年外的中子星合并事件。虽然这次引力波信号仅仅持续100秒(实际上在引力波里还是比较长的),但科学家们获得了大量的重要信息。在两颗中子星逐渐靠近的过程中,它们都因为彼此强大的引力而发生形变。在这个千载难逢的瞬间,中子星隐藏在深处的内部结构暴露在了宇宙空间,也暴露在人类探测器的面前。利用这段期间的观测,Vuorinen等人终于观测到了中子星诡异的内部结构。

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在结合了引力波的观测数据以及最新的理论量子物理学计算后,Vuorinen的团队最近在《自然物理学》杂志上发表了研究论文,向世人展示了他们的结论:从两倍太阳质量到接近理论质量上限(如果再高就会变成黑洞)的中子星,确实都存在一个夸克核,其范围达到了整个中子星直径的一半以上。

经过40年的研究和观测,夸克核终于接近证实。

之所以接近,是因为这个结论并没有完全证实。从科学家的严谨角度来说,不能直接给出如此肯定的答案。研究团队也明确表示:夸克核只是可以最直接解释观测到的现象的一种可能性,并不排除其他可能。计算结果表面,如果这些中子星的核心并非是夸克核,那么这里一定是在发生某些我们还不知道的不可思议的事情。

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Vuorinen指出:“所有的中子星都是仅由原子核物质(即中子)组成的可能性仍然非常小,但并不是0。我们所能做的,就是量化这种情况下会发生什么。简单来说,致密原子核物质的表现势必会极其诡异。比如说,声音的速度几乎可以达到光速。”

对于科学家来说,研究这种夸克核不仅可以了解中子星内部,更可以帮助我们理解宇宙诞生的过程。我们刚才提到,宇宙大爆炸后仅仅几十微秒的时间里,宇宙就处于夸克汤的状态。因此,中子星内部的夸克核可以很好地还原当时宇宙的物理性质,告诉我们最原始的宇宙是如何演化的

虽然科学家们前些年也成功在实验室中造出了夸克汤,但是不仅难度过高,而且保持的时间非常有限,也给科学家的研究带来了一定的限制。如果我们能持续对中子星的夸克核进行研究,将会获得大量重要的研究资料。

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在2017年后,LIGO和Virgo已经协作完成了第二次对中子星合并的观测。随着科学家对引力波的利用越来越游刃有余、人类观测设备捕捉到中子星合并的事件越来越多,我们将会更加了解夸克这种粒子以及夸克汤这种神奇的状态。

正如Vuorinen所说的那样:“我们有理由相信,引力波天体物理学的黄金时代才刚刚开始,不久的将来,我们将会见证更多这样的突破,获得对自然新的理解。”

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