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旋轉(zhuǎn)的中子星（脈沖星）釋放的X射線，可以用于探測中子星的直徑。（圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab）

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撰文 | 喬納森·奧卡拉漢（Jonathan O'Callaghan）

翻譯 | 楊楠

審校 | 吳非

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在人類對宇宙的認(rèn)知范疇里，中子星是一類獨(dú)特的天體。它們源于超新星爆發(fā)，體積僅有一座城市大小，質(zhì)量卻與恒星相當(dāng)。一直以來，科學(xué)家們都相信中子星內(nèi)部有一些極端的物理學(xué)過程發(fā)生，甚至中子可能會分裂成一種叫做夸克的黏軟物質(zhì)。

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然而，由于無法窺測中子星內(nèi)部，我們必須依靠一些可測量的特征，比如質(zhì)量和尺寸，來推斷其內(nèi)部組成。在中子星引力的作用下，夸克應(yīng)該比中子更易被壓縮。所以如果中子星內(nèi)部充滿夸克，那么質(zhì)量越大，它的直徑應(yīng)該會更小。

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但新的問題出現(xiàn)了：要測量遠(yuǎn)在數(shù)千光年之外，但只有城市大小的天體的直徑，對于天文學(xué)家來說絕非易事。法國國家科學(xué)研究中心的理論物理學(xué)家米凱拉·奧爾特爾（Micaela Oertel）曾說，成功測量中子星的質(zhì)量和大小將是“中子星物理學(xué)研究的圣杯”。

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2017年，NASA研發(fā)的中子星內(nèi)部組成探測器（NICER）被送往國際空間站，這臺X射線望遠(yuǎn)鏡試圖探測中子星的諸多性質(zhì)。2019年，它測量到一顆質(zhì)量為太陽1.4倍、距離地球1000光年的中子星J0030的直徑約26千米。

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NICER工作示意圖（圖片來源：NASA's Goddard Space Flight Center）

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最近，有兩個團(tuán)隊利用NICER的數(shù)據(jù)，分別對距離地球3000光年的另一顆中子星J0740獨(dú)立展開了分析。兩個團(tuán)隊算出的直徑基本一致，分別為24.8千米和27.4千米。研究已于5月初發(fā)布于預(yù)印本網(wǎng)站arxiv.org，但尚未進(jìn)行同行評審。這一結(jié)果令人震驚，要知道，J0740的質(zhì)量是太陽的2.1倍，是已知質(zhì)量最大的中子星，比J0030還重50%左右，但兩者的直徑卻幾乎一致。

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這一發(fā)現(xiàn)說明中子星雖然奇特，但還不至于奇特到消滅了中子。佛羅里達(dá)州立大學(xué)的理論物理學(xué)家豪爾赫·皮耶卡雷維奇（Jorge Piekarewicz）說：“這可能表明在中子星的核心，不至于出現(xiàn)奇異物質(zhì)?！?/p>

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中子星的相變

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當(dāng)一個質(zhì)量約為太陽8~20倍的巨大恒星燃燒殆盡時，由于沒有向外的壓力來對抗恒星引力，這顆星球開始坍縮并爆炸，外殼向外拋散，只留下致密的核心快速收縮成和曼哈頓差不多大小的天體，也就是中子星。

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中子星的核心位于由離子和電子構(gòu)成的薄殼下方。在核心部分，質(zhì)子和電子被緊緊擠壓融合成一體，形成一個中子海洋。然而，穿過這些致密物質(zhì)之后，在更接近中心的地方，可能有更匪夷所思的事情發(fā)生?？茽枴っ桌眨–ole Miller）是馬里蘭大學(xué)的天體物理學(xué)家，也是測定中子星J0740大小的研究中的主要作者。他說：“那里不是獨(dú)立的中子和質(zhì)子，而是比中子和質(zhì)子還小的夸克組成的海洋。但它們的誕生條件還是個謎?！?/p>

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截至目前，有一些模型預(yù)測，質(zhì)量足夠大的中子星就能產(chǎn)生巨大的密度，導(dǎo)致中子和質(zhì)子被分裂成更小的夸克——或許2.1倍太陽質(zhì)量的J0740就能做到這一點(diǎn)。阿姆斯特丹大學(xué)的天體物理學(xué)家安娜·瓦茨（Anna Watts）說，由于中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了由常規(guī)物質(zhì)到相對“可擠壓”的夸克物質(zhì)的相變，“半徑應(yīng)該變小”。

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另一些模型的預(yù)測則恰好相反：即使相變過程真的存在，它也只有在接近中子星坍縮成黑洞的臨界質(zhì)量時才會發(fā)生。（具體的臨界點(diǎn)尚不明確，但通常認(rèn)為是3倍太陽質(zhì)量。）瓦茨說：“問題是，如果在高密度下會有奇異物質(zhì)形成，那這個轉(zhuǎn)變是從什么時候開始的？”

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瓦茨說，如果像J0740這樣的中子星經(jīng)歷過這種相變階段，而且含有更多“可擠壓”的夸克，它的直徑應(yīng)為9~16千米。但米勒表示，即使在考慮誤差的情況下，研究人員已經(jīng)確定了一個相當(dāng)可信的最小直徑：22千米。

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根據(jù)這項研究，中子星或許會在超過2.1倍太陽質(zhì)量的某個時間點(diǎn)形成夸克，或者可能永遠(yuǎn)不會形成。相反，即使是在最極端的情況下，質(zhì)子和中子也可能繼續(xù)存在于中子星內(nèi)部。瓦茨說：“看來最黏軟的模型肯定要被排除在外了?！?/p>

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旋轉(zhuǎn)的星斑

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NICER能成功測出中子星半徑，要?dú)w功于中子星本身的行為——當(dāng)中子星快速旋轉(zhuǎn)時，表面熱斑（類似于地球磁極，但強(qiáng)度遠(yuǎn)超后者）隨著中子星一起旋轉(zhuǎn)，并發(fā)出X射線。由于中子星的強(qiáng)大引力，即使是恒星遠(yuǎn)端發(fā)出的X射線也會彎曲并傳播到我們這里。NICER可以精確測量這些X射線的到達(dá)時間，從而幫助科學(xué)家在光年之外重現(xiàn)中子星的大小。

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另一項研究也為NICER的發(fā)現(xiàn)提供了支持。在弗吉尼亞州杰斐遜（Jefferson）實驗室開展的鉛半徑實驗（PREx）將一束電子發(fā)射到鉛中，并發(fā)現(xiàn)中子“皮膚”（也就是在鉛原子中，中子占據(jù)的空間大小）大于質(zhì)子“皮膚”。這一差異表明中子星直徑應(yīng)比先前預(yù)測的大至多2千米。PREx成員皮耶卡雷維奇說：“這與NICER的結(jié)論完全一致?！痹撗芯拷Y(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》上。

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NICER的結(jié)論尚處于早期階段，因為還需要進(jìn)一步核查。第三顆中子星的半徑也正在測算過程中，其結(jié)果將對證明NICER現(xiàn)階段結(jié)論的對錯起到重大作用。NASA戈達(dá)德太空飛行中心的NICER項目科學(xué)負(fù)責(zé)人扎文·阿祖馬尼安（Zaven Arzoumanian）說：“我們希望今年晚些時候能公布這顆中子星的直徑，或許還會有一些其他信息。”

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但就目前的結(jié)果來看，即使是宇宙中最致密的中子星都不至于“致密”到產(chǎn)生奇異物質(zhì)。皮耶卡雷維奇說：“這是反對‘中子星核心發(fā)生劇烈相變’這一假說的第一個有力證據(jù)。”如果這個過程在中子星中都不會發(fā)生，它還會在其他地方發(fā)生嗎？“恐怕不會。”皮耶卡雷維奇表示。

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原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/squishy-neutron-star-setback-dampens-hopes-of-exotic-matter-20210526/


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