來源：環(huán)球科學(xué)微信公眾號(hào)

　　中子星是質(zhì)量在一定范圍內(nèi)的恒星耗盡燃料并塌縮后留下的極端致密的殘骸。它們含有宇宙中最致密的物質(zhì)（黑洞不屬于物質(zhì)的范疇），但具體成分一直是一個(gè)未解之謎�？茖W(xué)家知道，在中子星內(nèi)部，引力把質(zhì)子和電子壓縮成了中子，但卻不知道這些中子是以什么樣的形式存在的。它們是組合起來形成無黏滯的“超流體”，還是被進(jìn)一步分解成更基本的夸克和膠子？

　　當(dāng)一顆質(zhì)量是太陽20倍的恒星死亡之后，它會(huì)變成大小如一座城市，密度高得不可思議的天體——中子星。用NASA天體物理學(xué)家扎文·阿祖馬尼安（Zaven Arzoumanian）的話說，中子星是“大多數(shù)人從未聽說過的最奇異天體”，一塊乒乓球大小的中子星物質(zhì)，重量就超過了10億噸。

　　天文學(xué)家認(rèn)為，在引力的擠壓下，中子星內(nèi)部的大多數(shù)質(zhì)子和電子融合成了中子——它就是因此而得名的。但這并不是最終結(jié)論，天文學(xué)家從來沒有近距離觀察過中子星，地面實(shí)驗(yàn)室也無法制造出接近其密度的物質(zhì)，因此，中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍是宇宙中的重大謎題之一。

　　中子星內(nèi)部含有已知引力最強(qiáng)的物質(zhì)——再增加一點(diǎn)質(zhì)量，它們將會(huì)變成黑洞，而后者實(shí)質(zhì)上并非物質(zhì)而是極端彎曲的時(shí)空。“這個(gè)臨界狀態(tài)是什么樣子的？” 阿祖馬尼安說，“這就是我們正在探索的問題。”

　　為了解答這個(gè)問題，研究者提出了若干個(gè)相互競爭的理論：

• 一些理論認(rèn)為，中子星里面確實(shí)都是中子，可能還有少量質(zhì)子。

• 而其他理論提出，中子星里面的物質(zhì)狀態(tài)比這更奇怪�；蛟S中子星內(nèi)部的中子被分解成了更基本的粒子，即夸克和膠子，它們在自由粒子的海洋中無拘無束地游動(dòng)著。

• 還有一種可能是，這些天體由更奇特的物質(zhì)構(gòu)成，比如超子。超子是一種奇異的粒子，不僅由“上”和“下”夸克（原子中的夸克）構(gòu)成，還包含了更重的 “奇異”夸克。

　　因?yàn)槲覀儾荒馨阎凶有乔虚_看看里面有什么，所以沒有一個(gè)簡單的方法來判斷這些理論哪個(gè)才是正確的。盡管如此，科學(xué)家還是取得了一些進(jìn)展。一個(gè)重大突破出現(xiàn)于2017年8月，研究者通過地面實(shí)驗(yàn)探測到了兩顆中子星正面相撞產(chǎn)生的引力波。引力波是大質(zhì)量物體加速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)空波動(dòng)，這次檢測到的引力波攜帶了兩顆發(fā)生碰撞的中子星的質(zhì)量和大小等重要信息，利用這些信息，科學(xué)家就可以進(jìn)一步確定中子星的性質(zhì)和內(nèi)部成分。

　　2017年6月開始在國際空間站上運(yùn)行的中子星內(nèi)部成分探測器（NICER）也在幫助科學(xué)家搜集線索。NICER監(jiān)視的是脈沖星這種具有強(qiáng)磁場并快速自轉(zhuǎn)的中子星。脈沖星發(fā)射出的光束會(huì)不斷掃過星際空間，當(dāng)?shù)厍蛱幱诠馐鴴哌^的區(qū)域時(shí)，我們就會(huì)看見脈沖星在以高得令人震驚的頻率“眨眼睛”，最快1秒能閃爍700多次。通過這些實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家有望弄清中子星里面到底是什么。如果真能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們不但可以更好地認(rèn)識(shí)這類怪異天體，還能了解極端條件下的物質(zhì)和引力。

　　超流海洋

　　恒星在核心耗盡燃料而停止產(chǎn)生能量時(shí)，可能會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)，中子星就是從這種災(zāi)難性的爆發(fā)中鍛造出來的。突然沒有了對(duì)手的引力會(huì)像活塞一樣錘擊恒星，吹散外面的包層，擊碎核心。處于這個(gè)階段的恒星，其核心主要是鐵構(gòu)成的。強(qiáng)大的引力可以壓碎原子，將電子擠進(jìn)原子核使它們和質(zhì)子融合產(chǎn)生中子。“來自四面八方的壓力將鐵壓縮了10萬倍，”圣路易斯華盛頓大學(xué)的物理學(xué)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。”這就像是把地球壓縮成一個(gè)街區(qū)的大小。當(dāng)恒星停止塌縮后，內(nèi)部的中子數(shù)量大概是質(zhì)子的20倍。

　　物理學(xué)家認(rèn)為，中子星的質(zhì)量大約是太陽的1~2.5倍，可能有至少三層結(jié)構(gòu)。最外層是由氫和氦組成的氣態(tài)“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(gòu)成的外“殼層”之上。在這一層中，原子核排列成晶格結(jié)構(gòu)，電子和中子充斥于其間。最里面的第三層包含了中子星的大部分質(zhì)量，其具體成分仍是個(gè)謎。這里的原子核擠在一起，幾乎沒有剩余空間，達(dá)到了核物理能允許的最高密度。越靠近中子星的核心，每個(gè)原子核內(nèi)的中子數(shù)就越多。在某處，原子核將無法容納更多的中子，這時(shí)中子會(huì)溢出，此時(shí)再也沒有原子核了，只有核子（即質(zhì)子和中子）。最終，在中子星最深處，這些粒子也可能被分解。

　　“對(duì)這種異常高壓和高密度狀態(tài)下的物質(zhì)，我們的認(rèn)識(shí)還處于假說階段。” 奧爾福德說，“我們認(rèn)為，中子實(shí)際上可能已經(jīng)被壓碎了并互相重疊，所以你無法將它看成中子流體，而是應(yīng)該稱其為夸克流體。”

　　這種流體具體是什么形式的，仍是個(gè)沒有定論的問題。一種可能是，夸克形成了“超流體”，這樣的流體沒有黏性，理論上一旦運(yùn)動(dòng)起來就永遠(yuǎn)不會(huì)停下來。中子星內(nèi)部出現(xiàn)這種離奇的物質(zhì)狀態(tài)是可能的，因?yàn)榭淇酥�間的關(guān)聯(lián)性使得它們在足夠靠近時(shí)可能形成束縛的“庫珀對(duì)”。

　　夸克本身是費(fèi)米子——其自旋量子數(shù)是半整數(shù)。當(dāng)兩個(gè)夸克配對(duì)后，它們整體表現(xiàn)為玻色子——其自旋為整數(shù)。這一轉(zhuǎn)變意味著粒子將遵循新的規(guī)律。費(fèi)米子服從泡利不相容原理，即兩個(gè)相同的費(fèi)米子不能占據(jù)相同的狀態(tài)——但是玻色子不受這樣的限制。在擁擠的中子星內(nèi)部，作為費(fèi)米子，夸克不得不具有越來越高的能量以便占據(jù)比其他夸克更高的能級(jí)。然而，變成玻色子之后，它們可以全部待在能量最低的狀態(tài)。當(dāng)夸克對(duì)處于這種狀態(tài)時(shí)，就形成了超流體。

　　在密度最高的核心區(qū)域之外，中子還保持完整狀態(tài)，它們也可以配對(duì)形成超流體。實(shí)際上，科學(xué)家確信中子星的殼層有超流體，證據(jù)來自于脈沖星的“周期躍變”，即中子星的自轉(zhuǎn)突然在一段時(shí)間內(nèi)變快。中子星的自轉(zhuǎn)會(huì)自然地變慢，而流動(dòng)時(shí)不受摩擦力作用的超流體卻不會(huì)變慢。當(dāng)兩者自轉(zhuǎn)速度的差異變得太大時(shí)，超流體會(huì)將角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到殼層。“就像是地震，” 紐約州立大學(xué)石溪分校的天文學(xué)家詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer）說，“中子星打了個(gè)嗝，突然釋放出一些能量，自轉(zhuǎn)頻率短時(shí)間內(nèi)增加，然后又恢復(fù)。”

　　2011年，拉蒂默和同事聲稱，他們找到了中子星核心存在超流體的證據(jù)，但他承認(rèn)這還存在爭議。拉蒂默的團(tuán)隊(duì)在墨西哥國立自治大學(xué)的達(dá)尼·帕日（Dany Page）的領(lǐng)導(dǎo)下，研究了仙后座A的X射線觀測數(shù)據(jù)。他們發(fā)現(xiàn)，星云中心的脈沖星冷卻速度要比傳統(tǒng)理論預(yù)期的更快。一種解釋是，中子星內(nèi)部的一些中子兩兩配對(duì)成為超流體，中子對(duì)散開又重新結(jié)成時(shí)會(huì)發(fā)出中微子，使得中子星失去能量而冷卻。

　　仙后座A是古代超新星的遺跡，其中心有一顆中子星。有跡象表明這顆中子星的核心是“超流體”。

　　詭異的夸克

　　超流體僅僅是中子星神秘大門背后隱藏的一種可能性。中子星還可能是稀有的“奇異夸克”之家。

　　夸克有六種類型，或者更確切地說是有六種味道——上、下、粲、奇異、頂、底。原子中僅存在上和下這兩味最輕的。其余的味道質(zhì)量太大而不穩(wěn)定，所以它們往往僅在粒子加速器（例如大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）的高能粒子碰撞實(shí)驗(yàn)中短暫出現(xiàn)。但是在極端致密的中子星內(nèi)部，中子內(nèi)的上、下夸克可能有一些會(huì)轉(zhuǎn)變成奇異夸克（其余的罕見味道——粲、頂、底夸克由于質(zhì)量太大，即使在這里也不大可能形成）。如果奇異夸克出現(xiàn)并且與其他夸克束縛在一起，會(huì)形成中子的“變異體”——超子。也可能這些夸克根本沒有組成其他粒子，而是自由地漫游在“夸克湯”之中。

　　每一種可能的物質(zhì)狀態(tài)都會(huì)顯著地影響中子星的大小。用阿祖馬尼安的話說，中子“就像彈珠，構(gòu)成一個(gè)堅(jiān)硬的固態(tài)核心”。固態(tài)核心會(huì)撐起外層，使中子星變得大一些。另一方面，如果這些中子分解成了一鍋夸克膠子湯，就會(huì)構(gòu)成一個(gè)“較軟的、糊狀”的核心，中子星的半徑也會(huì)變小。NICER實(shí)驗(yàn)的目的就是確定哪個(gè)解釋是正確的。阿祖馬尼安是該項(xiàng)目的首席研究員之一，主管科學(xué)事務(wù)，他說 ：“NICER的關(guān)鍵目標(biāo)之一是測量中子星的質(zhì)量和半徑，以此幫助我們選擇或排除關(guān)于致密物質(zhì)的某些理論。”

　　NICER是一個(gè)洗衣機(jī)大小的盒子，安裝在國際空間站外部。它持續(xù)地監(jiān)視天空中的數(shù)十顆脈沖星，探測從它們發(fā)出的X射線光子。NICER能探測光子的能量和達(dá)到時(shí)間，還有光線在中子星引力場作用下的彎曲程度，從而幫助科學(xué)家計(jì)算這些脈沖星的質(zhì)量和半徑，并進(jìn)行比較。

　　測量中子星的半徑可以有效地精簡有關(guān)中子星內(nèi)部物質(zhì)狀態(tài)的候選理論。科學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為中子星內(nèi)部一半的中子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楹�有奇異夸克的超子。理論�?jì)算表明，這種富含超子的中子星無法超過1.5倍太陽質(zhì)量。然而在2010年，由美國國家射電天文臺(tái)的保羅·德莫雷斯特（Paul Demorest）領(lǐng)導(dǎo)的天文學(xué)家測量到一顆中子星有1.97倍太陽質(zhì)量，這一發(fā)現(xiàn)排除了許多關(guān)于中子星內(nèi)部的理論�，F(xiàn)在物理學(xué)家估計(jì)中子星內(nèi)部的超子含量不會(huì)多于10%。

　　碰撞現(xiàn)場

　　研究單個(gè)的中子星讓我們收獲頗多，但研究兩顆中子星的碰撞更有價(jià)值。多年來，天文學(xué)家通過望遠(yuǎn)鏡觀測到了一些名為伽馬射線暴的強(qiáng)烈閃光現(xiàn)象，他們一直懷疑這類事件源自兩顆中子星的碰撞。而通過2017年8月探測到的引力波，天文學(xué)家終于看到了第一例中子星并合。

　　2017年8月17日，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組——激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）和歐洲的Virgo——同時(shí)探測到了兩顆中子星相互旋進(jìn)，然后并合成一顆中子星或黑洞時(shí)產(chǎn)生的引力漣漪。這并不是科學(xué)家第一次探測到引力波，但之前的引力波都來自兩顆黑洞的碰撞。不但如此，這次在探測到引力波的同時(shí)，科學(xué)家也利用望遠(yuǎn)鏡觀測到了來自天空同一個(gè)位置的電磁波。電磁波和引力波加在一起，提供了有關(guān)碰撞發(fā)生的位置和過程的大量信息，對(duì)研究中子星物理大有益處。

　　天體物理學(xué)家追蹤引力波找到了距離地球1.3億光年的一對(duì)中子星。引力波的細(xì)節(jié)，即頻率、強(qiáng)度以及模式隨時(shí)間的變化，能讓研究人員估算出碰撞前兩顆星的質(zhì)量大概是太陽的1.4倍，半徑是11~12千米。這些信息可以幫助科學(xué)家構(gòu)建出一個(gè)描述中子星本質(zhì)的關(guān)鍵方程，即狀態(tài)方程。這種方程描述了物質(zhì)在不同壓強(qiáng)和溫度下的密度，應(yīng)當(dāng)適用于宇宙中所有的中子星。

　　對(duì)應(yīng)不同的中子星內(nèi)部物態(tài)，理論學(xué)家已經(jīng)提出了若干可能的狀態(tài)方程，而新的觀測可以排除其中的一些。例如，這次觀測發(fā)現(xiàn)中子星的半徑相對(duì)較小，讓人頗感意外。如果試圖用相同的狀態(tài)方程描述這些致密中子星和已知的大質(zhì)量中子星（例如1.97倍太陽質(zhì)量的龐然大物），一些理論就會(huì)陷入困境。

　　物質(zhì)的極限

　　如能提升引力波探測器的靈敏度，我們會(huì)得到巨大的回報(bào)。例如，有一種檢驗(yàn)中子星物態(tài)的方法是尋找內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流體發(fā)出的引力波。如果流體的黏性很低或者為零——就像超流體那樣——它會(huì)以一種名為r模式的特殊方式流動(dòng)，并發(fā)出引力波。“這種引力波比并合發(fā)出的引力波弱得多。” 奧爾福德說，“物質(zhì)在靜靜地晃動(dòng)而不是被撕裂開。” 奧爾福德和他的合作者確定，目前運(yùn)行的先進(jìn)LIGO探測器無法看到這類引力波，但未來LIGO的升級(jí)版以及一些籌劃中的天文臺(tái)，例如歐洲考慮建設(shè)的地面愛因斯坦望遠(yuǎn)鏡，是可能看到的。

　　破解中子星謎題可以幫助我們認(rèn)識(shí)處在難以理解的極端狀況下的物質(zhì)。這種物質(zhì)與構(gòu)成我們世界的原子差異極大，能擴(kuò)展我們的認(rèn)知疆界。它可能將一些奇思妙想變成現(xiàn)實(shí)，比如流體般晃蕩的夸克物質(zhì)、超流中子和異乎尋常的超子星。而且，理解中子星還有更大的意義：物理學(xué)家更深層的目標(biāo)是利用這些致密恒星來解決更重要的未知問題，例如支配原子核內(nèi)相互作用的定律，以及物理學(xué)最大的未解之謎——引力的本質(zhì)。

　　中子星僅僅是研究核力的一種方式，世界各地的粒子加速器也在做這類研究，后者可以像顯微鏡那樣窺探原子核內(nèi)部。當(dāng)多數(shù)核物理問題被解決后，科學(xué)家就可以將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向引力。“中子星融合了引力物理和核物理，”麻省理工學(xué)院的奧爾·亨（Or Hen）說，“現(xiàn)在我們正把中子星用作實(shí)驗(yàn)室來研究核物理。由于我們可以利用地球上的原子核，我們有望最終將核物理方面的問題研究得非常透徹。然后我們就可以利用中子星去研究引力，這也是最具挑戰(zhàn)性的物理問題之一。”

　　我們目前的引力理論是愛因斯坦的廣義相對(duì)論，它與量子力學(xué)難以相容。這兩個(gè)理論終有一個(gè)要做出讓步，而物理學(xué)家不知道是哪一個(gè)。“我們會(huì)知道的，” 亨說，“這樣的前景令人興奮不已。”

　　撰文：克拉拉·莫斯科維茨（Clara Moskowitz），《科學(xué)美國人》資深編輯

　　翻譯：來小禹，北京大學(xué)物理學(xué)院天文系博士

　　審校：徐仁新，北京大學(xué)物理學(xué)院天文系教授