江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

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
文章图片

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 。
科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤
文章图片

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 。
科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤
文章图片

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 。
【科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤】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 。
科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤
文章图片

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AleksiVuorinen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？
科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤
文章图片

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 。
科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤
文章图片

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 。
科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤
文章图片

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 。
科学家终于“撬开”中子星，看到了核心区域滚动的夸克汤
文章图片

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 。 ”


    推荐阅读


    上一篇：小米有品上架众筹手持无叶风扇：售价39元

    下一篇：从iPhone 7换到Find X2 Pro，这两点感受很明显