经过40年持续探索,科学家终于在中子星中发现夸克核

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在过去的40年中,科学家一直在探索是否存在夸克星或者中子星里面存在夸克核心。终于,芬兰科学家找到了有力的证据,证明了非常大的中子星核心中存在奇异的夸克物质。这也能够标志着天体物理学的黄金时代的光降。

我们周围的所有平常物质都是由原子组成的,原子的原子核包括质子和中子,被带负电的电子包围。

夸克(quark)是一种基本粒子,是组成物质的基本单元。夸克通过胶子结合在一起,形成一种复合粒子,叫强子,强子中非常稳定的即是质子和中子。

宇宙降生初期,物质是一锅由自由的夸克和胶子组成的浓稠的“汤”,这是夸克胶子等离子体,俗称“夸克汤”。

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夸克和胶子组成强子后,才发展出现在的宇宙。科学家发现从强子到夸克胶子等离子体的相变温度约为175百万电子伏特(相配于2万亿摄氏度)。

夸克星是一种假想的星体。当恒星演化到性命的末期,会在本身引力的影响下产生坍缩,当恒星质量低于太阳质量的1.44倍时会产生白矮星,高于1.44倍时引力将物质中的电子和质子挤压到一起形成中子星,若恒星质量超过太阳的质量的3.2倍时,将产生黑洞。

物理学家猜测较大质量的中子星可能含有夸克核心,乃至全部星体转化成夸克星。在更大的压力下,中子崩溃分离成为夸克,以后进一步转化为奇夸克,产生一种加倍致密的物质类型。这时的星体即是由奇夸克紧密结合在一起所组成的“夸克星”,全部星体可以看成是一颗庞大的中子。

简单来说,白矮星是密集的原子核,中子星可以看作是一个庞大的原子核(中子团),夸克星是一个庞大的中子,黑洞则是理论上的奇点。从重量和密度来看,夸克星是介于黑洞和中子星之间。

大概40年前初次提出这种可能性以来,一直是物理学的非常紧张目标之一。

赫尔辛基大学的科学家觉得找到了答案。新的后果发表在《自然物理学》上,问题为:Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars。

夸克核存在的可能性很大

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即便是在超级计较机长进行大规模的模拟,也无法确定中子星里面核心的状况,但是芬兰科学家提出了一种新的技巧。他们觉得,通过将粒子物理学的非常新研究数据与中子星碰撞产生的引力波的测量后果相结合,有可能揣度出中子星里面物质的特性。

致密的中子星的特性不妨极端夸张的,好比声响的速度可能接近光速,科学家凭据声速的不同,确定中子星里面存在不同的物质相,这极有不妨夸克物质。

凭据这项研究,存在于大质量稳定中子星核心内的物质与夸克物质的类似性要比与一般核物质的类似性大得多。通过计较,星体中夸克物质的核心直径可能超过全部中子星直径的一半。

科学家险些可以肯定发现了夸克物质,但是,中子星确凿切布局仍旧存在许多不确定性,降低不确定性仍需要更多的观测和计较。

引力波观测确定半径

这一新发现受益于天体物理学的两项非常新成果:中子星归并产生的引力波的测量以及对证量接近两个太阳质量的大中子星的探测。

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2017年秋天,激光过问引力波天文台(LIGO)和室女座过问仪(Virgo Interferometer)初次探测到了两个归并的中子星产生的引力波。观测后果后来被用来推导出碰撞中子星半径的上限,后果是大概13公里。

大多数质量已知的中子星质量都处于1到1.7个太阳质量局限内,但是在过去的十年里,发现了3颗中子星,它们的质量可能到达乃至略微超过两个太阳质量。

进一步调查

有了中子星半径和质量的信息,科学家觉得中子星物质性质的不确定性大大减小了。这也使科学家能够对中子星物质状况进行精确的计较。

自2017年秋季以来,LIGO和Virgo观测到更多新的中子星归并。随着观测信息的蕴蓄堆积,对中子星性质的形貌将加倍精确。这也能够标志着天体物理学的黄金时代的光降。

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