中子星：自然界最奇异的物质形态

当一颗 20 个太阳大小的恒星死亡时，它会变成天体物理学家扎文·阿祖曼尼安所说的“大多数人从未听说过的最离谱的物体”——一个城市大小、密度难以置信的物体，被称为中子星。一块乒乓球大小的中子星碎片将重达十亿多公吨。在恒星表面之下，在引力的挤压下，质子和电子融合成一体，形成主要由中子组成的物质——因此得名。至少，我们是这样认为的。这个问题远未解决。天文学家从未近距离观察过中子星，地球上也没有任何实验室可以创造出哪怕接近相同密度的物质，因此这些物体的内部结构是太空领域最大的谜团之一。“它们是自然界允许的最高稳定密度的物质，但我们不了解其结构，”在 NASA 戈达德太空飞行中心工作的阿祖曼尼安说。它们也是已知引力最强的物质形态——只需再增加一点质量，它们就会变成黑洞，黑洞根本不是物质，而是纯粹弯曲的空间。“在那个临界点会发生什么，”阿祖曼尼安说，“正是我们试图探索的。”

关于那个临界点会发生什么，有几种相互竞争的理论。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。其他观点则提出了更为奇异的可能性。也许中子星内部的中子会进一步分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不受束缚地游动。还有可能这些恒星的内部是由更奇异的物质构成的，例如超子——由不寻常的粒子组成，这些粒子不是由普通的“上”夸克和“下”夸克（原子中发现的那种）组成，而是由它们更重的“奇异夸克”表亲组成。

除非切开中子星并观察内部，否则没有简单的方法知道这些理论中哪个是正确的。但科学家们正在取得进展。2017 年 8 月，地球实验探测到引力波——时空中的波动，由大质量物体的加速产生——这似乎是两颗中子星正面碰撞产生的。这些波携带了恒星在碰撞前瞬间的质量和大小信息，科学家们利用这些信息对所有中子星的特性和可能的组成成分设置了新的限制。

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线索也来自中子星内部成分探测器 (NICER)，这是一项于 2017 年 6 月在国际空间站启动的实验。NICER 观测脉冲星，脉冲星是高磁性、快速旋转的中子星，它们发出扫射的光束。当这些光束掠过地球时，我们看到脉冲星以每秒超过 700 次的速度闪烁。通过这些实验和其他实验，了解中子星内部情况的前景终于变得可能。如果科学家能够做到这一点，他们将不仅掌握一类宇宙奇物，还将掌握物质和引力的基本极限。

超流体海洋

中子星是在被称为超新星的灾难性事件中形成的，超新星发生在恒星耗尽燃料并停止在其核心产生能量时。突然，引力失去了抵抗，像活塞一样猛烈地撞击恒星，吹走外层，并粉碎核心，而此时恒星生命周期中的核心主要由铁组成。引力非常强大，它完全压碎了原子，将电子推入原子核内部，直到它们与质子融合形成中子。“铁在每个方向上都被压缩了 10 万倍，”圣路易斯华盛顿大学的物理学家马克·阿尔福德说。“原子从十分之一纳米大小变成了一个只有几个飞米宽的中子团。”这就像将地球缩小到一个街区的大小。（飞米是百万分之一纳米，纳米本身是十亿分之一米。）当恒星完成坍缩时，它包含大约 20 个中子对应一个质子。斯托尼布鲁克大学的天文学家詹姆斯·拉蒂默说，它很像一个巨大的原子核——但有一个重要的区别。“原子核通过核相互作用结合在一起，”拉蒂默说。“中子星通过引力结合在一起。”

天文学家沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基在 1934 年提出了中子星的概念，以此来回答超新星之后可能剩下什么的问题——他们同时创造了超新星这个术语来描述天空中被发现的超亮爆炸。距离英国物理学家詹姆斯·查德威克发现中子仅仅两年。最初，一些科学家怀疑如此极端的物体是否可能存在，直到 1967 年乔斯林·贝尔·伯内尔和她的同事观察到脉冲星——以及次年研究人员确定它们一定是旋转的中子星——这个想法才被广泛接受。

物理学家认为，中子星的质量范围可能在太阳质量的一倍到两倍半之间，并且它们可能至少由三层组成。外层是由氢和氦组成的气态“大气层”，厚度为几厘米到几米。它漂浮在千米深的外“地壳”之上，外壳由排列成晶体结构的原子核组成，原子核之间有电子和中子。第三层，即内部层，构成恒星的大部分，有点神秘。在这里，原子核被尽可能紧密地挤压在一起，核物理定律允许的范围内，它们之间没有分离。当您向核心内部移动时，每个原子核容纳的中子数量越来越多。在某个时刻，原子核无法再容纳更多的中子，因此它们会溢出：现在没有原子核了，只有核子（即中子或质子）。最终，在最内层核心中，这些核子也可能会分解。“我们正处于假设状态，我们不知道在这些疯狂的压力和密度下会发生什么，”阿尔福德说。“我们认为可能发生的情况是，中子实际上被压碎在一起，它们重叠得太厉害了，你真的不能再把它说成是中子的流体，而是夸克的流体了。”

这种流体采取何种形式是一个悬而未决的问题。一种可能性是夸克形成“超流体”，超流体没有粘度，一旦开始运动，理论上永远不会停止运动。这种奇异的物质状态是可能的，因为夸克对其他夸克有亲和力，如果它们被推得足够近，它们可以形成结合的“库珀对”。就其本身而言，夸克是费米子——一种自旋的量子力学值为半整数的粒子。当两个夸克配对时，它们共同充当一个玻色子——一种自旋等于零或一或其他整数的粒子。发生这种变化后，粒子遵循新的规则。费米子受泡利不相容原理的约束，该原理规定没有两个相同的费米子可以占据相同的状态——但玻色子没有这种限制。当它们是费米子时，夸克被迫采取更高的能量，以便在拥挤的中子星中相互堆叠。然而，作为玻色子，它们可以保持在可能的最低能量状态——任何粒子首选的位置——并且仍然可以挤在一起。当它们这样做时，夸克对形成超流体。

在核心密度最高的部分之外，中子可能完好无损，中子也可以配对形成超流体。事实上，科学家们相当肯定恒星地壳中的中子会这样做。证据来自对脉冲星“星震”的观测，星震是指旋转的中子星快速加速的事件。理论家认为，当恒星整体的旋转速度与其地壳内部超流体的旋转速度不同步时，就会发生这些星震。总的来说，恒星的旋转速度随着时间的推移自然减慢；超流体没有摩擦地流动，因此不会减慢。当这些速率之间的差异变得太大时，超流体会将角动量传递到地壳。“这就像地震，”拉蒂默说。“你会得到一个打嗝和一次能量爆发，自旋频率会在短时间内增加，然后又恢复正常。”

2011 年，拉蒂默和他的同事提出，他们还在中子星的核心中发现了超流体的证据，但他承认这仍然有待商榷。为了找到那个证据，拉蒂默的团队，由墨西哥国立自治大学的丹尼·佩奇领导，研究了 15 年来对仙后座 A 的 X 射线观测，仙后座 A 是 17 世纪首次在地球上可见的超新星遗迹。科学家们发现，星云中心的脉冲星冷却速度比传统理论表明的要快。一种解释是，恒星内部的许多中子正在配对变成超流体。这些对会断裂并重新形成，释放出中微子，这会导致中子星失去能量并冷却。“这是我们从未想过会看到的事情，”拉蒂默说。“但瞧，确实有这么一颗年龄合适的恒星让我们看到了这一点。证据将在大约 50 年后出现，届时它应该开始减速冷却，因为一旦超流体形成，就不会再有额外的能量损失。”

奇异夸克

超流体只是中子星神秘之门背后等待着的奇异可能性之一。它们也可能是稀有“奇异夸克”的家园。

夸克有六种，或称味道——上、下、粲、奇、顶和底。只有最轻的两种，上夸克和下夸克，存在于原子中。其余的味道都非常巨大且不稳定，因此它们通常只作为高能粒子碰撞的短暂碎片出现在原子撞击器（如日内瓦附近 CERN 的大型强子对撞机）内部。但在中子星极其稠密的内部，中子内部的上夸克和下夸克有时可能会转化为奇异夸克。（其他不寻常的味道——粲、顶和底——非常巨大，即使在那里也可能不会形成。）如果奇异夸克出现并仍然与其他夸克结合，它们将构成称为超子的突变中子。这些夸克也可能根本不包含在粒子中——它们可能会在一种夸克汤中自由漫游。

这些可能性中的每一种都应该以可测量的方式改变中子星的大小。用阿祖曼尼安的话来说，核心内部完好无损的中子会“像弹珠一样，形成坚硬、实心的核心”。实心核心会倾向于推挤外层，并增加整颗恒星的大小。另一方面，他说，如果中子溶解成夸克和胶子的混合物，它们将形成一颗“更柔软、更易挤压”且更小的恒星。阿祖曼尼安是 NICER 实验的共同首席研究员和科学负责人，该实验旨在确定这些替代方案中哪个是正确的：“NICER 的主要目标之一是测量[中子星]的质量和半径，这将帮助我们挑选或排除某些致密物质理论。”

NICER 是一个洗衣机大小的盒子，安装在国际空间站的外部。它稳定地监测散布在天空中的数十颗脉冲星，探测来自它们的 X 射线光子。通过测量光子的时间和能量，以及恒星引力场如何弯曲它们的光线，NICER 使科学家能够计算一系列脉冲星的质量和半径并进行比较。“如果 NICER 发现质量大致相同但半径差异很大的恒星，那意味着有些奇怪的事情正在发生，”阿尔福德说，“某种新形式的物质，当它出现时，会使恒星缩小。”例如，当neutron分解成夸克和胶子时，可能会发生这种转变。

测量中子星的大小是缩小中子星内部物质可能采取的形式范围的有用方法。科学家曾经认为，任何给定中子星中一半的中子都会变成含有奇异夸克的超子；理论计算表明，这种富含超子的恒星质量不能超过太阳质量的 1.5 倍。然而，在 2010 年，由国家射电天文台的保罗·德莫雷斯特领导的天文学家测量了一颗中子星的质量为太阳质量的 1.97 倍，这消除了许多关于中子星内部结构的理论。现在物理学家估计，超子在中子星中所占比例不能超过 10%。

撞击现场侦探

研究单个中子星可以告诉我们很多信息，但当两个中子星猛烈撞击在一起时，我们可以学到更多。多年来，望远镜探测到被称为伽马射线暴的光爆，研究人员怀疑这些光爆来自两颗中子星的撞击。在 2017 年 8 月引力波的探测中，天文学家看到了首次确认的中子星合并。

具体来说，在 2017 年 8 月 17 日，两项实验——激光干涉引力波天文台 LIGO（位于华盛顿州和路易斯安那州）和 Virgo（一个位于意大利比萨附近的欧洲项目）——同时探测到引力波，这些引力波是在两颗中子星螺旋式地相互靠近并合并形成单颗中子星或黑洞时产生的。这不是首次探测到引力波，但之前的所有观测都是由两个黑洞的碰撞产生的。在此日期之前，科学家从未观察到来自中子星的波，这也是望远镜首次响应引力波探测，并在同一时间在天空中的同一位置看到光。光和波共同提供了关于撞击发生地点和方式的大量信息，这被证明对中子星物理学是一个福音。“我当时非常震惊，”拉蒂默谈到这次幸运的观测时说。“我当时想，这真是太好了，难以置信。”

天体物理学家将这些波追溯到距离地球约 1.3 亿光年的一对中子星。波的细节——它们的频率和强度以及它们随时间变化的模式——使研究人员能够估计出每颗恒星在碰撞前的重量约为太阳质量的 1.4 倍，半径在 11 到 12 公里之间。这些知识将有助于科学家制定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将采取的密度，并且应适用于宇宙中的所有中子星。理论家已经提出了几种可能的状态方程公式，这些公式对应于中子星内部物质的不同结构，新的测量结果提供了一个机会来排除一些公式。例如，中子星半径相对较小的发现令人惊讶。一些理论在试图将这些紧凑的中子星和已知的重恒星（如 1.97 太阳质量的庞然大物）纳入同一个基本状态方程时遇到了困难。“这开始使我们的状态方程在这些不同的观测中穿针引线，”加州州立大学富勒顿分校的天体物理学家、LIGO 极端物质团队的联合负责人乔斯林·里德说。“试图制造紧凑的恒星，以及支持大质量恒星，对理论来说变得越来越具有挑战性。这绝对很有趣，并且可能会变得更有趣。”

到目前为止，LIGO 和 Virgo 只看到过这一次中子星碰撞，但另一次这样的观测可能随时到来。“我在这个领域工作了足够长的时间，”里德说，“从一个假设的时代过渡到现实真是太棒了：‘如果我们能看到引力波，那么我们或许能够做到这一点。’现在我们实际上有机会做到这一点，而且它还没有过时。”

物质的极限

随着时间的推移，随着引力波探测器灵敏度的提高，回报可能会非常巨大。例如，测试中子星内部物质的一个方法是寻找其中心任何漩涡液体发出的引力波。如果液体的粘度非常低或没有粘度——就像超流体一样——它可能会开始以称为 r 模式的模式流动，从而释放引力波。“这些引力波将比合并产生的引力波弱得多，”阿尔福德说。“这是物质在静静地晃动，而不是被撕裂。”阿尔福德和他的合作者确定，目前正在运行的先进 LIGO 探测器将无法看到这些波，但未来 LIGO 的升级，以及计划中的天文台，如欧洲正在考虑的地面爱因斯坦望远镜，可能会看到。

破解中子星之谜将使我们了解几乎难以理解的极端物质——一种与构成我们世界的原子截然不同的形态，它延伸了可能性的界限。它可能会将想象中的奇物（如晃动的夸克物质、超流体中子和古怪的超子星）变成现实。而理解中子星可能会做更多的事情：物理学家更深层次的目标是利用这些被挤压的恒星来解决更大的未解之谜，例如支配核相互作用的规律——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途径之一，世界各地的粒子加速器也在同时进行研究，这些粒子加速器就像显微镜一样，可以窥视原子核内部。当更多的核问题得到解决时，科学家可以将他们的注意力转向引力。“中子星是引力物理学和核物理学的混合体，”麻省理工学院的物理学家奥尔·亨说。“目前我们正在使用中子星作为实验室来了解核物理学。但由于我们可以接触到地球上的原子核，我们最终应该能够充分约束问题的核方面。然后我们可以使用中子星来了解引力，这是物理学中最大的挑战之一。”

目前对引力的理解——通过爱因斯坦的广义相对论——与量子力学理论不相容。最终，其中一个理论必须让步，而物理学家不知道会是哪个理论。“我们会到达那里的，”亨说，“这是一个非常令人兴奋的前景。”