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自然界中最奇怪的物质形式

2020/6/30 11:23:50 来源:火凤羽 浏览:

用天体物理学家扎文·阿祖马尼安的话来说,当一颗20个太阳大小的恒星死亡时,它就变成了“大多数人从未听说过的最不可思议的物体”——一颗城市大小、密度惊人的中子星。一块乒乓球大小的中子星重量将超过10亿吨。在恒星表面之下,在重力的挤压下,质子和电子相互熔化,形成了大部分的中微子——因此得名。至少,我们是这么想的。这个问题远未解决。天文学家从未近距离看到过中子星,地球上也没有实验室能创造出任何密度接近中子星的物质,所以这些物体的内部结构是太空中最大的谜团之一。在美国宇航局戈达德太空飞行中心工作的阿祖马尼安说:“它们是自然界允许的最高稳定密度的物质,其结构我们还不了解。”它们也是已知的最具强引力的物质形式——只要再增加一点质量,它们就会成为黑洞,而黑洞根本不是物质,而是纯粹的弯曲空间。阿祖马尼安说:“在这个临界点上发生了什么,是我们试图探索的。”
关于这个临界值发生了什么,有几种相互矛盾的理论。一些观点认为,中子星实际上只是充满了普通的中子,也许还有一些质子。其他人则提出了更奇怪的可能性。也许中子星内部的中子会进一步溶解成构成它们的粒子,称为夸克和胶子,它们在自由流动的海洋中自由游动。而且有可能这些恒星的内部是由更奇异的物质构成的,比如超级粒子——由更重的“奇怪夸克”表亲组成,而不是普通的“上夸克”和“下夸克”(原子中发现的那种)组成的奇怪粒子。
除了切开一颗中子星并观察它的内部,没有一种简单的方法知道这些理论中哪一个是正确的。但是科学家们正在取得进展。地面实验探测到了引力波——由大质量物体加速产生的时空波动——它看起来像是两颗中子星的正面碰撞。这些波携带着撞击前恒星的质量和大小的信息,科学家们利用这些信息对所有中子星的性质和可能的成分设置了新的限制。
线索也来自中子星内部成分探测器,这是2017年6月在国际空间站开始的一项实验观测脉冲星,这是一种高磁性、高速旋转的中子星,能发射出光束。当这些光束经过地球时,我们看到脉冲星每秒闪烁700多次。通过这些实验和其他实验,了解中子星内部物质的前景最终看起来是可能的。如果科学家们能做到这一点,他们不仅能掌握宇宙的一种奇特现象,而且还能掌握物质和引力的基本极限。
超流体的海洋
中子星是在超新星大灾难中形成的,当恒星耗尽燃料并停止在其核心产生能量时,就会发生超新星“大灾难”。突然间,引力没有了阻力,它像活塞一样猛烈地撞击恒星,将外层吹走,并粉碎了核心,而在恒星生命的这个阶段,核心主要是铁。重力是如此之强,以至于几乎可以把原子压碎,把原子核内的电子推到它们与质子融合产生中子为止。圣路易斯华盛顿大学的物理学家Mark Alford说:“铁在每个方向被压缩了10万倍。”“原子的直径从十分之一纳米变成只有几飞米宽的中子团。“这就像把恒星缩小到一个城市街区的大小。(飞米计是纳米的百万分之一,而纳米本身就是一米的十亿分之一。)当恒星坍缩结束时,每一个质子约含有20个中子。石溪大学的天文学家James Lattimer说,它很像一个巨大的原子核,但有一个重要的区别。拉蒂默说:“原子核是通过核相互作用而结合在一起的。”“中子星是由引力结合在一起的。”
1934年,天文学家沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基提出中子星的概念,以回答超新星之后可能会留下什么。超新星是他们同时创造的一个术语,指的是在天空中发现的超亮爆炸。英国物理学家詹姆斯·查德威克发现中子才两年。起初,一些科学家对这种极端的天体是否存在持怀疑态度,直到乔斯林·贝尔·伯内尔和她的同事在1967年观测到脉冲星——在接下来的一年里,研究人员确定它们一定是在旋转中子星——这个想法才被广泛接受。
物理学家认为中子星的质量大约是太阳质量的一倍到2.5倍,它们可能至少由三层组成。外层是一个由氢和氦组成的气体“大气层”,厚几厘米到几米。它漂浮在一公里深的外层“地壳”上,地壳由排列成晶体结构的原子核构成,原子核之间有电子和中子。第三层,构成恒星主体的内层,有点神秘。在这里,原子核被紧紧地塞在原子核物理定律所允许的范围内,它们之间没有分离。当你向核心靠近时,每个原子核都拥有更多的中子。在某一时刻,原子核不能包含更多的中子,所以它们溢出来:现在没有原子核了,只有核子(即中子或质子)。最终在最内层的核心,这些物质也会分解。阿尔福德说:“我们处于一种假设的状态,我们不知道在这种疯狂的压力和密度下会发生什么。”“我们认为可能发生的情况是,中子实际上被压在一起,它们重叠得太厉害,你不能再把它说成是中子流体,而是夸克流体。”
这种液体的形式是一个悬而未决的问题。一种可能性是夸克形成了一种“超流体”,它没有粘性,一旦开始运动,理论上就永远不会停止运动。这种奇怪的物质状态是可能的,因为夸克对其他夸克有亲近感,如果它们被推得足够近,就能形成束缚的“库珀对”。“夸克本身就是费米子——一种自旋量子力学值为半个整数的粒子。当两个夸克配对在一起时,它们就像一个单独的玻色子——一个自旋等于零或一个或另一个整数的粒子。在这种变化之后,粒子遵循新的规则。费米子受泡利不相容原理的约束,即没有两个相同的费米子可以占据相同的状态——但玻色子没有这样的限制。当它们是费米子时,在拥挤的中子星中,夸克被迫以更高的能量叠加在一起。然而,作为玻色子,它们可以保持在最低可能的能量状态(任何粒子的首选位置),并且仍然挤在一起。当它们这样做时,夸克对就形成了超流体。
在核心最密集的部分之外,中子很可能完好无损,中子也可以成对形成超流体。事实上,科学家相当肯定恒星外壳中的中子会这样做。证据来自对脉冲星“故障”的观察,在这些“故障”中,一颗旋转的中子星快速加速。理论学家认为,当恒星作为一个整体的旋转速度与地壳内部超流体的旋转不同步时,就会发生这些小故障。总的来说,恒星的自转自然会随着时间而变慢;而没有摩擦的超流体则没有。当这些速率之间的差异过大时,超流体将角动量传递给地壳。“就像地震一样,”拉蒂默说。“你会打嗝,爆发出能量,自旋频率会在短时间内增加,然后再次稳定下来。”
2011年,拉蒂默和他的同事们表示,他们也在中子星的核心发现了超流体存在的证据,但他承认,这仍有待商榷。为了找到证据,由墨西哥国立自治大学的丹尼·佩奇(Dany Page)领导的拉蒂默团队对仙后座A的x射线观测进行了15年的研究。仙后座A是17世纪首次在地球上出现的超新星残骸。科学家们发现星云中心的脉冲星冷却的速度比传统理论认为的要快。一种解释是,恒星内部的许多中子正在成对形成超流体。这些对偶断裂并重新形成,释放出中微子,导致中子星失去能量并冷却下来。“但是你看,有一颗恒星的年龄和我们看到这个是一样的。再过50年左右,布丁就会证明这一点,那时它应该会开始冷却得更慢,因为一旦超流体形成,就不会再有多余的能量流失了。”
奇怪的夸克
超流体只是中子星神秘门后等待的奇异可能性之一。也有可能它们是稀有的“奇怪夸克”的家园。
夸克有六种,即向上、向下、魅力、奇异、顶部和底部。只有最轻的两种物质,上下都存在于原子中。其他的是如此的巨大和不稳定,以至于它们通常只作为高能粒子碰撞产生的短暂碎片出现在原子加速器中,比如日内瓦附近欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。但在中子星密度极高的内部,中子内部的上下夸克有时会转变成奇怪的夸克。(其他不同寻常的夸克——魅力夸克、上夸克和下夸克——是如此之大,以至于它们很可能不会在那里形成。)如果奇怪的夸克出现并继续与其他夸克结合,它们就会产生被称为超子的突变中子。也有可能这些夸克根本不包含在粒子中——它们可能在一种夸克汤中自由漫步。
每一种可能性都应该以可测量的方式改变中子星的大小。用阿祖马尼安的话来说,核心内完好无损的中子会“像弹珠一样,形成坚硬的固体核心”。“固态内核会推动外层,增大整个恒星的体积。另一方面,如果中子溶解在夸克和胶子的混合物中,它们会变成“更软、更软、更小的恒星”,他说。Arzoumanian首席调查员和科学领导更好的实验,旨在确定哪一个选择是真的:?好吗? s关键目标是测量(中子星?)质量和半径,将帮助我们挑选或排除某些理论密度问题。
更好的是安装在国际空间站外部的洗衣机大小的盒子。它稳定地监测着散布在天空中的几十颗脉冲星,探测其中的x射线光子。通过测量光子的时间和能量,以及恒星的引力场如何弯曲它们的光,better让科学家计算出一组脉冲星的质量和半径,并对它们进行比较。“如果better发现的恒星质量大致相同,但半径却大不相同,这就意味着发生了一些有趣的事情,”阿尔福德说,“一些新形式的物质,当它出现时,会让恒星收缩。”例如,当中子分裂成夸克和胶子时,就会发生这样的转变。
测量中子星的大小是缩小中子星内部物质可能形态范围的有用方法。科学家们曾经认为,任何给定中子星中的一半中子都会变成含有奇怪夸克的超子。理论计算表明,这种富含超子的恒星不能超过太阳质量的1.5倍。然而,在2010年,由国家射电天文观测台的Paul Demorest领导的天文学家以1.97太阳质量测量了一颗中子星的质量,消除了许多关于中子星内部的理论。现在物理学家估计,超子不能占中子星的10%以上。
坍缩现场侦探
研究单个中子星能告诉我们很多,但当其中两颗撞击在一起时,我们能学到更多。多年来,望远镜已经探测到被称为伽马射线爆发的光爆炸,研究人员怀疑这些光爆炸来自两颗中子星的碰撞。在2017年8月的引力波探测中,天文学家发现了第一颗被证实的中子星合并。
具体地说,2017年8月17日两个实验中激光干涉引力波天文台,或LIGO和处女座同时检测到两个中子星引力产生涟漪螺旋向对方和合并形成一个中子星或黑洞。这并不是第一次探测到引力波,但之前所有的观测都是由两个黑洞的碰撞造成的。在此之前,科学家从未观测过来自中子恒星的波,这也是望远镜第一次对引力波探测做出反应,同时看到来自天空同一地点的光。光和波一起提供了大量关于撞击发生地点和方式的信息,这对中子星物理学来说是一个福音。“我当时大吃一惊,”拉蒂默谈到这一幸运的发现时说。“我觉得这太好了,简直难以置信。”
天体物理学家将这些波追溯到一对距离地球约1.3亿光年的中子星。这些波的频率、强度以及它们随时间变化的模式等细节,让研究人员得以估计,每一波约有1.4个太阳质量,在撞击前半径在11至12公里之间。这些知识将帮助科学家们形成一个理解中子星的基本描述符——它们的状态方程。该方程描述了物质在不同压力和温度下的密度,适用于宇宙中的所有中子星。理论学家们已经提出了几种可能的状态方程的公式,这些公式与中子星内部物质的不同构型相对应,而新的测量结果提供了一个排除某些情况的机会。
例如,中子星半径相对较小的发现令人惊讶。一些理论遇到了困难,当他们试图把这些致密中子星和已知的重恒星(如1.97倍太阳质量的庞然大物)都纳入同一个基本状态方程时。加州州立大学富勒顿分校的天体物理学家、LIGO极端物质小组的共同领导人乔斯林·里德说:“它开始让我们的状态方程在这些不同的观测中穿针穿线。”“试图制造致密恒星,以及支持大质量恒星,对这一理论将是一个挑战。这绝对很有趣,而且可能会变得更有趣。”
到目前为止,LIGO和室女座只看到了这一次中子星碰撞,但任何时候都有可能出现另一次这样的观测。里德说:“我在这个领域工作的时间已经够长了,能从一个假设的时代走出来真是太棒了。如果我们能看到引力波,那么我们也许就能做到这一点。”现在我们真的有机会这么做了,而且它还没有过时。”
物质的极限
随着引力波探测器灵敏度的提高,最终的回报将是巨大的。例如,对中子星内部情况的一项测试包括寻找中子星内部任何旋转液体所发出的引力波。如果液体的粘度非常低,或者没有粘性(作为超流体),它可能会开始以一种叫做r模式的模式流动,释放引力波。“这些引力波将比合并时弱得多,”阿尔福德说。“这是物质在静静地晃动,而不是被撕裂。阿尔福德和他的同事们断定,目前正在运行的先进的LIGO探测器将无法看到这些波,但未来对LIGO的升级,以及计划中的天文台,如欧洲正在考虑的地基爱因斯坦望远镜,可能会看到。
破解中子星的案例将给我们提供一幅物质在其难以理解的极限处的图景——一种远离构成我们世界的原子的形式,它拓展了可能性的边界。它可能会将夸克物质、超流体中子和奇异的超子恒星等想象中的奇葩变成现实。理解中子星可以做更多的事情:物理学家更深层次的目标是利用这些被压扁的恒星来解决更大的开放性问题,比如控制核相互作用的定律——质子、中子、夸克和胶子之间复杂的舞蹈——以及最大的谜团——引力的本质。
中子星只是研究核力的一种方式,世界各地的粒子加速器也在同时进行工作,它们就像显微镜一样,可以窥视原子核内部。当更多的核问题被确定下来后,科学家们可以把注意力转向重力。“中子星是引力物理学和核物理的混合物,”麻省理工学院的物理学家Or Hen说。“现在我们正在用中子星作为实验室来理解核物理。但是因为我们在地球上可以接触到原子核,我们最终应该能够很好地限制问题的核方面。然后我们就可以用中子星来理解重力,这是物理学中最大的挑战之一。”
通过爱因斯坦的广义相对论,引力目前被理解为与量子力学理论格格不入。最终,其中一种理论必须改变,而物理学家不知道会是哪一种。“我们会到达那里,”母鸡说,“这是一个非常令人兴奋的前景。”

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