财新传媒 财新传媒

阅读:0
听报道

恒星就像普通人一样,有生老病死。当大质量的恒星走到其生命终点的时候,会以剧烈爆炸——超新星——的形式结束它“光辉”的一生。爆发之后它会留下遗骸,一颗中子星或者一个黑洞。但如果这个遗骸比上质量太小无法成为黑洞,比下质量太大无法形成中子星,又会怎么样?

事实上,一直到最近天文学家们都不认为在中子星和黑洞之间会存在一个“灰色地带”,大质量恒星死亡的产物必定是中子星和黑洞这两者之一。

然而现在兴许有一种奇特的恒星能填补这一空白。虽然它们还没有被观测到,但天文学家们相信“奇异星”(又称“夸克星”)应该是存在的,而科学家们也仅仅是刚刚才认识到这类天体究竟有多“奇异”。

奇异的诞生

首先,中子星、夸克星和黑洞都是通过相同的机制诞生的——超新星爆发。但是,这三者的质量呈递增关系,因此通过超新星产生它们的恒星的质量也必定是递增关系。

那么,如果一个恒星发生爆炸,它的产物怎样才能算是一颗中子星呢?构成中子星的中子物质具有一种特殊的性质——中子简并,它们可以产生向外作用的中子简并压。当中子星自身向内的引力和向外的中子简并压达到平衡的时候,中子星就出现在你眼前了。

如果从超新星中诞生的这颗中子星质量太大,中子简并压无法抵挡向内的引力,结果会如何呢?

在这种情况下,夸克就会挺身而出取代中子,防止天体进一步坍缩。这里所说的“夸克”是比中子更小的物质单位,1个中子由3个夸克组成:2个下夸克和1个上夸克。

当夸克简并压和引力间达到平衡之后,一颗夸克星就此诞生。这时自由的上夸克和下夸克就会转变成奇异夸克。因此,夸克星其实是由奇异夸克物质所组成的,也正是因为如此它们还被称为奇异星。

[图片说明]:中子星(左)和夸克星(右)的比较。版权:NASA。

不同寻常的发现

迄今传统观点一直认为夸克星的尺寸应该比中子星小。这看上去似乎是合理的,因为夸克星是在中子星的基础上进一步坍缩而成的,这使得其中的物质会变得更加致密,于是占用的体积就会减少。但根据一个由德国、瑞士和美国科学家组成的国际合作小组的最新计算,夸克星实际上可能会比它们的表兄中子星大。但这怎么可能呢?

这些复杂的计算牵涉到中子星和夸克星的“状态方程”,它描述了组成这两类天体的物质本身的性质。他们的计算结果显示,一颗质量为太阳2.5倍的夸克星会比质量为太阳2倍的中子星要来得大。

这一发现对于寻找潜在的夸克星而言是非常有趣的。如果天文学家发现了一颗具有2.5个太阳质量的大型中子星的话,也许他们真正看到的其实是一颗夸克星。

一旦发现了夸克星,它不仅对于天文学家而言具有重要的意义,对于在欧洲核子中心工作的物理学家而言也是如此,他们可以借此获得自然产生的“奇异夸克物质”的大量信息。虽然大型强子对撞机可以制造出高温“夸克胶子等离子体”,但实验室里至今还无法制造出奇异夸克物质,所以夸克星的发现将会惠及天体物理学家和粒子物理学家。

然而,故事还没有结束。奇异星还能更“奇异”。

大爆炸实验室?

在另一项研究中,科学家为夸克星进行了仔细地“体检”,并且试图把它推向极限。一个有趣的问题是,给最大质量的夸克星再添加一点物质的话会发生什么?在它坍缩成黑洞前是否还存在一个超越于夸克星之外的状态?

根据已知的粒子物理标准模型,一颗大质量的夸克星会具有足够的引力能来“燃烧”奇异物质。在强引力的作用下,夸克星核心里的夸克也许会被快速地“燃烧”,进而转变成纯粹的能量和中微子。

[图片说明]:弱电星结构。

但真正令人着迷的地方是,由于夸克星极为致密,甚至连在通常情况下能穿透一切的中微子也无法逃离。于是,燃烧夸克所产生的这些能量和中微子就会形成向外的压力来抵抗引力。科学家们将这样一颗夸克星称为“弱电星”。计算发现弱电星可以处于这一稳定状态大约1千万年,而此时它可以同时具备苹果的“身材”和两个地球的质量。

现在压轴戏要上演了。弱电星的核心由此会具有极端高的密度,只有大爆炸之后十亿分之一秒的宇宙才能与之匹敌。这些极端的天体将会像是一个迷你的宇宙大爆炸实验室,在其中的高压之下电磁力和弱相互作用力(四种基本作用力中的两种,另外两种为引力和强相互作用力)会非常接近,几乎无法区分。这为进一步深入认识自然界的基本作用力提供了绝佳的机会,甚至还有可能会引发新的物理学革命。

虽然奇异星奇异得让人不敢相信它们会真实地存在于宇宙之中,但天文学家们正在倾其所能来寻找它们。随着下一代望远镜和其他探测设备的投入使用,这些奇异的天体说不定会给我们一个谁都不曾料想到的惊喜。

(本文已刊载于《百科知识》2010年第3期A)

[Discovery News 2010年01月19]

话题:



0

推荐

科学松鼠会

科学松鼠会

4011篇文章 1次访问 4年前更新

什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。 这里是科学松鼠会的网站的一个镜像,大家的留言我们可能没办法一一回复,如果您有什么问题,欢迎到科学松鼠会的主站提问:http://songshuhui.net/

文章