死星内部


插图显示了由夸克物质组成的中子星的横截面（图片来源：Jyrki Hokkanen/CSC）

科学家们可能比以往任何时候都更接近于破解位于死星表面深处的神秘之处，称为中子星。一项新的超级计算机对中子星的分析表明，这些天体有80%到90%的机会拥有充满自由夸克的核心，这是基本的亚原子粒子，通常只能在质子和中子等其他粒子中结合在一起。


质子和中子本身聚集在一起形成原子核，电子围绕原子核居住。但根据该团队的说法，如果中子星核心确实充满了自由夸克，它们将由一种被称为“冷夸克物质”的奇特物质组成。“在冷夸克物质中，单个质子和中子不可能存在，原子不可能存在，只有夸克。如果是真的，这将使中子星类似于令人难以置信的巨大原子核。“具体地看到每一个新的中子星观测如何使我们能够越来越精确地推断中子星物质的特性，这是很有趣的。


即将接任赫尔辛基大学副教授一职的研究主要作者Joonas Nttilà在一份声明中说。中子星是当质量在太阳10到20倍之间的恒星耗尽了在其核心发生的内在核聚变所必需的燃料时诞生的。这导致了数百万甚至数十亿年来一直保持恒星稳定的外向能量的停止，以对抗其自身引力的向内压力。


一颗死星的内部可能看起来在这场宇宙拔河比赛中获胜，恒星的核心开始坍缩。当这种情况发生时，恒星的外部物质，核聚变仍在发生，在巨大的超新星爆炸中被吹走。这使得恒星核心的质量在太阳的1到2倍之间，压缩到只有大约12英里（20公里）的宽度。现在的中子星大小的巨大缩小创造了如此致密的物质，如果带到地球上，它的一块方糖大小的块将重约10亿吨。那是一块方糖，重量相当于3000座帝国大厦。


所以现在的问题是，这种不可思议的奇异物质是什么，可能在宇宙中其他地方都没有发现，由什么组成？而且，更一般地说，这些死星最密集区域的条件真的能创造出一个全新的物质阶段，称为冷夸克物质，没有质子和中子？科学家们无法访问中子星来获取这种物质的样本，即使最近的中子星在400光年之外，所以接下来最好的事情是使用实际天文数据和超级计算机的强大组合来模拟恒星表面下的条件。


这项新研究使用了一种名为贝叶斯推断的统计演绎，通过与观测数据直接比较来计算不同模型参数的可能性。这使团队能够确定中子星物质的边界，从而使团队得出结论，冷夸克物质的存在概率很高。该机制还表明，在中子星中存在一种“非核”的物质状态，其中夸克被允许存在于质子，中子和其他粒子中“去限制”。一颗死星的内部可能看起来“由组成夸克和胶子被从典型的颜色限制中解放出来，几乎可以自由地移动。”赫尔辛基大学理论物理学教授Aleksi Vuorinen在声明中说。


该团队的超级计算机模拟还表明，中子星内的物质经历从核物质到“夸克物质”的快速状态变化的概率低于20%，几乎就像水变成冰一样。如此快速的物质变化可能会使中子星不稳定，甚至可以使一个微小的夸克物质坍缩并产生一个黑洞。该研究还提供了夸克物质核的存在在未来可以通过一些进一步的分析得到充分的证实。关键是确定从核物质到夸克物质的相变强度，当引力波探测器变得足够敏感，可以“听到”时空中的微小涟漪时，这可能是可能的，这是从两颗中子星绕轨道运行的最后一刻开始的彼此碰撞。


尽管如此，即使有了更好的观测数据，更好的中子星核心模型仍然需要大量的计算能力和时间。-奇怪的宇宙物体被确定为爆炸的死星的残骸-数百颗超新星残骸仍然隐藏在我们的银河系中这些天文学家想要找到它们-“幽灵星”出没于银河系的中心。现在我们知道为什么了“我们不得不使用数百万CPU小时的超级计算机时间来将我们的理论预测与观测结果进行比较，并限制夸克物质核心的可能性。团队成员、赫尔辛基大学研究生Joonas Hirvonen在声明中说。该团队的研究于12月发表在《自然通讯》杂志上。

By: Robert Lea

FY: 何丹怀

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