自从中子星被发现以来，研究人员一直在利用它们 необычные 性质来探索我们的宇宙。中子星是恒星爆炸后的超高密度残余物，其质量大于太阳，却被压缩成一个像旧金山一样宽的球体。一杯这种恒星物质的重量大约相当于珠穆朗玛峰。
这些奇异的天体可以提醒我们注意时空结构中遥远的扰动，教会我们关于元素的形成，并揭示引力和粒子物理学在宇宙中一些最极端条件下如何运作的秘密。
巴塞罗那空间科学研究所的天体物理学家瓦妮莎·格拉伯说：“它们是天文学和天体物理学中许多未解问题的核心。”
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但是，为了准确解释中子星的一些信号，研究人员必须首先了解它们内部发生了什么。他们有自己的猜测，但直接在中子星上进行实验是不可能的。因此，科学家需要另一种方法来检验他们的理论。如此超高密度物体中物质的行为非常复杂，即使计算机模拟也无法胜任这项任务。但是研究人员认为他们可能已经找到了解决方案：地球上的类似物。
尽管年轻的中子星内部可能达到数百万度的高温，但按照一个重要的能量衡量标准，中子被认为是“冷的”。物理学家认为，这是一个他们可以利用来研究中子星内部运作的特征。研究人员没有仰望天空，而是正在窥视地球实验室中创造的超冷原子云。这可能有助于他们最终回答一些关于这些神秘物体的长期存在的问题。
太空奇物
中子星的存在最初是在 1934 年提出的，即在中子本身被发现两年后，当时天文学家沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基想知道，超新星爆炸后是否会留下完全由中子组成的天体。尽管他们没有完全弄清所有细节，但他们的一般想法现在已被广泛接受。
恒星通过将较轻原子的原子核聚变成较重原子的原子核来为自身提供能量。但是，当恒星耗尽这些较轻的原子时，核聚变就会停止，并且不再有向外的压力来对抗向内的引力。核心坍塌，恒星的外层向内冲去。当这一层撞击到致密的核心时，它会反弹并向外爆炸，产生超新星。之后留下的致密核心就是中子星。
直到 20 世纪 60 年代，兹威基和巴德假设的中子星才最终被探测到。射电天文学家乔斯林·贝尔·伯内尔在剑桥大学担任研究生时，注意到来自太空的奇怪的、有规律脉冲的无线电波信号。她探测到以前从未见过的东西：一种特殊类型的中子星，称为脉冲星，它像灯塔一样，以规则的间隔闪烁辐射束。（她的导师，连同天文台主任——但不包括贝尔·伯内尔——后来因这项发现获得了诺贝尔奖。）
从那时起，已经探测到数千颗中子星。作为宇宙中最致密、压力最高的物体之一，中子星可能有助于我们了解物质在极高密度下会发生什么。了解它们的结构以及构成它们的中子物质的行为对物理学家至关重要。
科学家们已经知道，构成中子星的中子、质子和其他亚原子粒子根据它们在恒星中的位置以不同的方式排列。在某些部分，它们像冰块中的水分子一样刚性地堆积在一起。在另一些部分，它们像无摩擦的流体一样流动和旋转。但是，物理学家不确定转变发生的确切位置以及不同物相的物质如何表现。
一颗由核火球诞生的超高密度恒星，表面上似乎与稀薄的超冷粒子云几乎没有什么共同之处。但它们至少可以共享一个有用的特征：它们都低于一个称为费米温度的阈值，该阈值取决于——并且是根据——每个系统由什么物质制成的来计算的。远高于此温度的系统在很大程度上将根据经典物理定律运行；如果它远低于此温度，则其行为将受量子力学支配。哥本哈根尼尔斯·玻尔研究所的理论物理学家克里斯托弗·佩西克说，某些超冷气体和中子星物质都可能远低于其费米温度，因此可以以类似的方式发挥作用，他也是 1975 年核科学年度评论中早期中子星概述的合著者。
低于其费米温度的物质可以遵守非常普遍的定律。这种普遍性意味着，虽然我们无法轻易获得数百万度的中子星物质，但我们可以通过实验地球实验室真空室中可以创建和操纵的超冷气体来了解其某些行为，纽约州立大学石溪分校的理论天体物理学家詹姆斯·拉蒂默说，他是 2012 年核与粒子科学年度评论中核物质科学综述的作者。
拉蒂默特别感兴趣的是一种称为统一气体的理论状态。当气体的每个粒子的影响范围变得无限大时，气体就是统一的，这意味着无论它们相距多远，它们都会相互影响。这在现实中是不可能实现的，但超冷原子云可以非常接近——中子星内部的物质也可以。“它类似于统一气体，”拉蒂默说，“但它不是完美的统一气体。”
回归地球
长期以来，气体的压力与其密度之间的确切关系太复杂而无法准确计算。但是，当实验物理学家开发出控制冷原子云并将其调整到非常非常接近统一气体的能力时，这为确定这种气体的特性开辟了一条新途径：只需直接测量它，而不是努力在计算机上处理笨拙的数学运算。
这些超冷原子云实际上比中子星物质更接近统一气体，因此这种类比并不完美。但它足够接近，以至于拉蒂默已经能够从冷原子云中获取几乎统一气体的测量值，并将其应用于中子物质，以改进一些描述中子星内部运作的理论模型。冷原子实验可以帮助科学家发展关于某些无法解释的中子星现象中可能发挥作用的物理学的理论。
特别是，格拉伯和其他科学家希望找到有关最大谜团之一——脉冲星故障的线索。通常，脉冲星“时钟”的规则计时非常可靠，以至于其精度可以与原子钟相媲美。但并非总是如此：有时，脉冲星的自转速率会突然增加，从而导致故障。这种额外的动力来自哪里尚不清楚。答案在于物质在中子星内部如何移动。
冷气体和中子星某些部分的中子物质都是超流体——粒子在没有任何摩擦的情况下流动。当超流体旋转时，会产生小漩涡或涡流。这些涡流如何在旋转的中子星内部移动并相互作用以及与其他结构相互作用仍然是一个悬而未决的问题。“它可能不是这种漂亮的、规则的涡流晶格，”普尔曼华盛顿州立大学研究理论物理学的迈克尔·麦克尼尔·福布斯说。“它可能是整个恒星中一些涡流的缠结。我们不知道。”
福布斯和其他人怀疑，他们在脉冲星自转中观察到的故障与这些涡流如何“钉扎”到恒星中的结构有关。通常，单个涡流在流体中自由漂移。但是，当流体包含一个刚性堆积的物质区域，该区域阻碍了涡流的运动时，涡流将停止，有时甚至将其旋转臂缠绕在刚性物体周围，并将其中心定位在刚性物体的顶部。
涡流倾向于以这种方式保持钉扎，但有时它们可以解除钉扎并远离物体迁移。当这种情况发生时，流体的流动会对物体施加扭矩。如果成千上万的涡流同时从中子星的各种结构中解除钉扎，它们可以突然加速恒星的自转。福布斯解释了如此多的涡流如何可能同时解除钉扎：“就像将沙子倒在沙堆上一样——在……发生雪崩之前，什么都不会真正发生。”
但是，经典的计算机几乎不可能精确计算出如此多涡流同时舞蹈的所有复杂性。因此，福布斯计划与可以冷原子云中形成这些涡流的实验小组合作，看看会发生什么。他的想法是使用“冷原子实验作为模拟量子计算机，用于计算我们无法以任何其他方式完成的事情”，他说。
研究人员正忙于研究他们在实验室中经常看到的其他超冷现象如何激发对中子星行为的新研究方向。最近，格拉伯和她的同事概述了如此多的可能性，以至于他们需要 125 页才能全部发表。2019 年，来自世界各地的数十名天文学家、核物理学家和超冷原子物理学家聚集在一起，讨论了他们领域之间更多令人惊讶的联系。研究人员才刚刚开始测试这些头脑风暴产生的一些想法。
佩西克说，他们也正在从恒星本身学到更多。“这是一个令人兴奋的领域，因为目前有很多观测结果正在涌入。”
借助更好的望远镜和新方法来收集关于中子星深不可测的内部性质的信息，科学家们可以希望找出冷原子和中子星之间的这种类比可以走多远。
本文最初发表在Knowable Magazine上，Knowable Magazine是 Annual Reviews 旗下的独立新闻事业。注册新闻通讯。