繪圖：Foreal

來歷：舉世科學微信大眾號

中子星是質量在必定范圍內的恒星耗盡燃料并塌縮后留下的極點細密的殘骸。它們含有國際中最細密的物質（黑洞不屬于物質的領域），但詳細成分一向是一個未解之謎。科學家知道，在中子星內部，引力把質子和電子緊縮成了中子，但卻不知道這些中子是以什么樣的方法存在的。它們是組合起來構成無黏滯的“超流體”，仍是被進一步分化成更底子的夸克和膠子？

當一顆質量是太陽20倍的恒星逝世之后，它會變成巨細如一座城市，密度高得難以想象的天體——中子星。用NASA天體物理學家扎文·阿祖馬尼安（Zaven Arzoumanian）的話說，中子星是“大大都人從未聽說過的最獨特天體”，一塊乒乓球巨細的中子星物質，分量就超越了10億噸。

天文學家以為，在引力的擠壓下，中子星內部的大大都質子和電子交融成了中子——它便是因而而得名的。但這并不是終究結論，天文學家從來沒有近間隔調查過中子星，地上試驗室也無法制造出挨近其密度的物質，因而，中子星內部結構仍是國際中的嚴重謎題之一。

中子星內部含有已知引力最強的物質——再添加一點質量，它們將會變成黑洞，而后者實質上并非物質而是極點曲折的時空。“這個臨界情況是什么姿態的？” 阿祖馬尼安說，“這便是咱們正在探究的問題。”

為了回答這個問題，研討者提出了若干個彼此競爭的理論：

一些理論以為，中子星里邊的確都是中子，或許還有少數質子。

而其他理論提出，中子星里邊的物質情況比這更古怪。或許中子星內部的中子被分化成了更底子的粒子，即夸克和膠子，它們在自在粒子的海洋中自由自在地游動著。

還有一種或許是，這些天體由更獨特的物質構成，比方超子。超子是一種獨特的粒子，不只由“上”和“下”夸克（原子中的夸克）構成，還包含了更重的 “獨特”夸克。

因為咱們不能把中子星切開看看里邊有什么，所以沒有一個簡略的辦法來判別這些理論哪個才是正確的。盡管如此，科學家仍是取得了一些發展。一個嚴重突破呈現于2017年8月，研討者經過地上試驗勘探到了兩顆中子星正面相撞發作的引力波。引力波是大質量物體加速運動時發作的時空動搖，這次檢測到的引力波攜帶了兩顆發作磕碰的中子星的質量和巨細等重要信息，使用這些信息，科學家就能夠進一步確認中子星的性質和內部成分。

2017年6月開端在國際空間站上運轉的中子星內部成分勘探器（NICER）也在協助科學家收集頭緒。NICER監督的是脈沖星這種具有強磁場并快速自轉的中子星。脈沖星發射出的光束會不斷掃過星際空間，當地球處于光束掃過的區域時，咱們就會看見脈沖星在以高得令人震驚的頻率“眨眼睛”，最快1秒能閃耀700屢次。經過這些試驗，科學家有望澄清中子星里邊究竟是什么。假如真能完成這個方針，咱們不光能夠更好地知道這類奇怪天體，還能了解極點條件下的物質和引力。

超流海洋

恒星在中心耗盡燃料而中止發作能量時，或許會發作超新星迸發，中子星便是從這種災難性的迸發中鑄造出來的。忽然沒有了對手的引力會像活塞相同錘擊恒星，吹散外面的包層，擊碎中心。處于這個階段的恒星，其間心主要是鐵構成的。強壯的引力能夠壓碎原子，將電子擠進原子核使它們和質子交融發作中子。“來自五湖四海的壓力將鐵緊縮了10萬倍，”圣路易斯華盛頓大學的物理學家馬克·奧爾福德（Mark Alford）說，“直徑十分之一納米的原子變成了直徑幾飛米的中子。”這就像是把地球緊縮成一個街區的巨細。當恒星中止塌縮后，內部的中子數量大概是質子的20倍。

物理學家以為，中子星的質量大約是太陽的1~2.5倍，或許有至少三層結構。最外層是由氫和氦組成的氣態“大氣”，厚度為幾厘米到幾米。這層大氣漂浮在厚度約1千米、由原子核構成的外“殼層”之上。在這一層中，原子核排列成晶格結構，電子和中子充滿于其間。最里邊的第三層包含了中子星的大部分質量，其詳細成分仍是個謎。這兒的原子核擠在一同，幾乎沒有剩下空間，到達了核物理能答應的最高密度。越接近中子星的中心，每個原子核內的中子數就越多。在某處，原子核將無法包容更多的中子，這時中子會溢出，此刻再也沒有原子核了，只要核子（即質子和中子）。終究，在中子星最深處，這些粒子也或許被分化。

 

“對這種反常高壓和高密度情況下的物質，咱們的知道還處于假說階段。” 奧爾福德說，“咱們以為，中子實際上或許現已被壓碎了并彼此堆疊，所以你無法將它當作中子流體，而是應該稱其為夸克流體。”

這種流體詳細是什么方法的，仍是個沒有結論的問題。一種或許是，夸克構成了“超流體”，這樣的流體沒有黏性，理論上一旦運動起來就永久不會停下來。中子星內部呈現這種古怪的物質情況是或許的，因為夸克之間的關聯性使得它們在滿足接近時或許構成捆綁的“庫珀對”。

夸克自身是費米子——其自旋量子數是半整數。當兩個夸克配對后，它們全體表現為玻色子——其自旋為整數。這一改變意味著粒子將遵從新的規則。費米子遵守泡利不相容原理，即兩個相同的費米子不能占有相同的情況——可是玻色子不受這樣的約束。在擁堵的中子星內部，作為費米子，夸克不得不具有越來越高的能量以便占有比其他夸克更高的能級。但是，變成玻色子之后，它們能夠悉數待在能量最低的情況。當夸克對處于這種情況時，就構成了超流體。

 

在密度最高的中心區域之外，中子還堅持完好情況，它們也能夠配對構成超流體。實際上，科學家堅信中子星的殼層有超流體，依據來自于脈沖星的“周期躍變”，即中子星的自轉忽然在一段時刻內變快。中子星的自轉會自然地變慢，而活動時不受摩擦力效果的超流體卻不會變慢。當兩者自轉速度的差異變得太大時，超流體會將角動量轉移到殼層。“就像是地震，” 紐約州立大學石溪分校的天文學家詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer）說，“中子星打了個嗝，忽然釋放出一些能量，自轉頻率短時刻內添加，然后又康復。”

2011年，拉蒂默和搭檔宣稱，他們找到了中子星中心存在超流體的依據，但他供認這還存在爭議。拉蒂默的團隊在墨西哥國立自治大學的達尼·帕日（Dany Page）的領導下，研討了仙后座A的X射線觀測數據。他們發現，星云中心的脈沖星冷卻速度要比傳統理論預期的更快。一種解說是，中子星內部的一些中子兩兩配對成為超流體，中子對散開又從頭結成時會宣布中微子，使得中子星失掉能量而冷卻。

 

仙后座A是古代超新星的遺址，其間心有一顆中子星。有痕跡標明這顆中子星的中心是“超流體”。

怪異的夸克

超流體僅僅是中子星奧秘大門背面躲藏的一種或許性。中子星還或許是稀有的“獨特夸克”之家。

夸克有六種類型，或許更切當地說是有六種滋味——上、下、粲、獨特、頂、底。原子中僅存在上和下這兩味最輕的。其他的滋味質量太大而不穩定，所以它們往往僅在粒子加速器（例如大型強子對撞機）的高能粒子磕碰試驗中時刻短呈現。可是在極點細密的中子星內部，中子內的上、下夸克或許有一些會改變成獨特夸克（其他的稀有滋味——粲、頂、底夸克因為質量太大，即便在這兒也不大或許構成）。假如獨特夸克呈現并且與其他夸克捆綁在一同，會構成中子的“變異體”——超子。也或許這些夸克底子沒有組成其他粒子，而是自在地周游在“夸克湯”之中。

 

每一種或許的物質情況都會顯著地影響中子星的巨細。用阿祖馬尼安的話說，中子“就像彈珠，構成一個堅固的固態中心”。固態中心會撐起外層，使中子星變得大一些。另一方面，假如這些中子分化成了一鍋夸克膠子湯，就會構成一個“較軟的、糊狀”的中心，中子星的半徑也會變小。NICER試驗的意圖便是確認哪個解說是正確的。阿祖馬尼安是該項意圖首席研討員之一，主管科學業務，他說 ：“NICER的要害方針之一是丈量中子星的質量和半徑，以此協助咱們挑選或掃除關于細密物質的某些理論。”

NICER是一個洗衣機巨細的盒子，安裝在國際空間站外部。它繼續地監督天空中的數十顆脈沖星，勘探從它們宣布的X射線光子。NICER能勘探光子的能量和到達時刻，還有光線在中子星引力場效果下的曲折程度，然后協助科學家核算這些脈沖星的質量和半徑，并進行比較。

NICER作業示意圖（圖片來歷：NASA‘s Goddard Space Flight Center）

丈量中子星的半徑能夠有效地精簡有關中子星內部物質情況的候選理論。科學家從前以為中子星內部一半的中子會改變為含有獨特夸克的超子。理論核算標明，這種富含超子的中子星無法超越1.5倍太陽質量。但是在2010年，由美國國家射電天文臺的保羅·德莫雷斯特（Paul Demorest）領導的天文學家丈量到一顆中子星有1.97倍太陽質量，這一發現掃除了許多關于中子星內部的理論。現在物理學家估量中子星內部的超子含量不會多于10%。

磕碰現場

研討單個的中子星讓咱們收成頗多，但研討兩顆中子星的磕碰更有價值。多年來，天文學家經過望遠鏡觀測到了一些名為伽馬射線暴的激烈亮光現象，他們一向置疑這類事情源自兩顆中子星的磕碰。而經過2017年8月勘探到的引力波，天文學家總算看到了榜首例中子星并合。

2017年8月17日，兩個試驗組——激光干與引力波天文臺（LIGO）和歐洲的Virgo——一起勘探到了兩顆中子星彼此旋進，然后并組成一顆中子星或黑洞時發作的引力漣漪。這并不是科學家榜首次勘探到引力波，但之前的引力波都來自兩顆黑洞的磕碰。不光如此，這次在勘探到引力波的一起，科學家也使用望遠鏡觀測到了來自天空同一個方位的電磁波。電磁波和引力波加在一同，供給了有關磕碰發作的方位和進程的很多信息，對研討中子星物理大有益處。

天體物理學家追尋引力波找到了間隔地球1.3億光年的一對中子星。引力波的細節，即頻率、強度以及形式隨時刻的改變，能讓研討人員估算出磕碰前兩顆星的質量大概是太陽的1.4倍，半徑是11~12千米。這些信息能夠協助科學家構建出一個描繪中子星實質的要害方程，即情況方程。這種方程描繪了物質在不同壓強和溫度下的密度，應當適用于國際中所有的中子星。

對應不同的中子星內部物態，理論學家現已提出了若干或許的情況方程，而新的觀測能夠掃除其間的一些。例如，這次觀測發現中子星的半徑相對較小，讓人頗感意外。假如試圖用相同的情況方程描繪這些細密中子星和已知的大質量中子星（例如1.97倍太陽質量的龐然大物），一些理論就會陷入困境。

物質的極限

如能提高引力波勘探器的靈敏度，咱們會得到巨大的報答。例如，有一種查驗中子星物態的辦法是尋覓內部旋轉流體宣布的引力波。假如流體的黏性很低或許為零——就像超流體那樣——它會以一種名為r形式的特別方法活動，并宣布引力波。“這種引力波比并合宣布的引力波弱得多。” 奧爾福德說，“物質在靜靜地晃動而不是被撕裂開。” 奧爾福德和他的合作者確認，現在運轉的先進LIGO勘探器無法看到這類引力波，但未來LIGO的升級版以及一些謀劃中的天文臺，例如歐洲考慮建造的地上愛因斯坦望遠鏡，是或許看到的。

破解中子星謎題能夠協助咱們知道處在難以了解的極點情況下的物質。這種物質與構成咱們國際的原子差異極大，能擴展咱們的認知疆界。它或許將一些奇思妙想變成實際，比方流體般閑逛的夸克物質、超流中子和與眾不同的超子星。并且，了解中子星還有更大的含義：物理學家更深層的方針是使用這些細密恒星來處理更重要的不知道問題，例如分配原子核內彼此效果的規律，以及物理學最大的未解之謎——引力的實質。

中子星僅僅是研討核力的一種方法，國際各地的粒子加速器也在做這類研討，后者能夠像顯微鏡那樣窺視原子核內部。當大都核物理問題被處理后，科學家就能夠將要點轉向引力。“中子星交融了引力物理和核物理，”麻省理工學院的奧爾·亨（Or Hen）說，“現在咱們正把中子星用作試驗室來研討核物理。因為咱們能夠使用地球上的原子核，咱們有望終究將核物理方面的問題研討得十分透徹。然后咱們就能夠使用中子星去研討引力，這也是最具挑戰性的物理問題之一。”

咱們現在的引力理論是愛因斯坦的廣義相對論，它與量子力學難以相容。這兩個理論終有一個要做出退讓，而物理學家不知道是哪一個。“咱們會知道的，” 亨說，“這樣的遠景令人興奮不已。