引力波发现未知天体,可能是介于中子星和黑洞之间的夸克星

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引力波是天体运动扭曲时空产生的向外传播的时空涟漪,但是它是如此的微弱,以至于我们只能探测到宇宙中大质量天体碰撞产生的引力波。2015年,LIGO天文台首次探测到黑洞碰撞产生的引力波,这标志着引力波天文学进入一个黄金时代。

最近,天体物理学家探测到了迄今为止最奇怪的引力波信号。此次碰撞是在2019年8月被LIGO-Virgo联合探测到的,研究人员对引力波的新分析结果发表在6月23日的《天体物理学杂志快报》上。结果显示,这次碰撞是一次黑洞与神秘天体的碰撞。之所以称它为神秘天体,是因为该天体的质量为2.6倍太阳,而中子星的质量上限为2.5倍太阳,最轻的黑洞质量也是太阳的5倍。而且,由于此次事件的距离遥远,大约为8亿光年,因此科学家没有探测到来自该事件的光。

引力波发现未知天体,可能是介于中子星和黑洞之间的夸克星-第1张图片-IT新视野

许多专家表示,该神秘天体打破了我们对宇宙的认识,它有可能是我们见过的最重的中子星,也有可能是最轻的黑洞。但是,科学家提出了一种更有可能性的结果:它就是我们寻找很久的介于黑洞和中子星之间的夸克星。

夸克星的预测

我们知道恒星的质量非常大,它会在自身的引力下向内收缩,其产生的效果就是让核心的温度和压力变高,核心中的元素就开始发生核聚变,产生更高的温度和压力来抵抗引力的收缩,这被称为流体静力平衡。

当恒星的氢元素开始消耗殆尽的时候,它就会开始聚变成氦、碳、氧等。此种聚变释放的能量更快、更高,它会推动着恒星迅速向外膨胀。最后,外层向外爆炸成行星状星云,只留下了一个致密的内核。而整个内核根据质量的不同,它可以形成白矮星、中子星或者黑洞。

引力波发现未知天体,可能是介于中子星和黑洞之间的夸克星-第2张图片-IT新视野

众所周知,原子是由质子、中子和电子组成,它们的自旋均为半奇数,因此它们是费米子,满足泡利不相容原理。当恒星内核的质量小于1.44倍太阳时,它最终会形成白矮星,此时由泡利不相容原理形成的电子简并压力抵抗了自身引力的收缩。而1.44倍太阳质量被称为钱德拉塞卡极限,是由印度物理学家钱德拉塞卡通过计算电子简并压力的极限得到的。

如果质量超过此上限,它会形成中子星。此时,电子简并压力已不能抵抗引力的收缩。核外电子被压进核内,并和质子结合形成中子被释放出中微子。此时,能抵抗引力的就只有中子的简并压力。1936年,奥本海默通过计算中子简并压力能抵抗的引力极限,得出中子星的质量上限为0.75倍太阳。今天,我们知道这个结果是错的,因为中子星的质量上限为2.5倍太阳。但是聪明的科学家并不认为奥本海默的想法错了,他们反而认为在中子星内部存在着另一种东西——夸克核。

引力波发现未知天体,可能是介于中子星和黑洞之间的夸克星-第3张图片-IT新视野

由于中子星内部的压力是如此之高,单靠中子简并压力是不可能支撑得住的,而且它的质量还不够大,不能形成黑洞。因此,科学家认为在中子星内部的中子已经被压碎成夸克了。2017年的中子星碰撞产生的引力波也能证明这一点,当两颗中子星彼此靠近时,引力会造成它们的扭曲变形,而形状改变能揭示其内部结构。这些信息都被存储在引力波中。

中子星质量上限为2.5倍太阳,最轻黑洞为5倍太阳,在这质量间隙之间肯定还存在着未知的天体类型。而最新的通过引力波发现的2.6倍太阳质量的神秘天体可能就是预测已久的夸克星。

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