宇宙中真的有水滴？就是……挥舞荧光棒的那种_风闻

原创：中科院物理所

在1967年8月6日，约瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell）正在观察一支红笔在移动的记录纸上画出的波浪线——这是她用射电望远镜观察遥远的星系得到的博士课题数据。她注意到一个波浪线看起来很奇怪。贝尔现在是牛津大学天体物理学客座教授，她在办公室里告诉我，那是一个“细小的杂峰”。这个“杂峰”是一系列间隔1.3秒的尖锐脉冲。贝尔接下来几个晚上都在持续观察它。

记录着脉冲信号的纸带

在接下来的几个月里，贝尔、她的博士导师安东尼·休伊什（Antony Hewish）和一些同事们紧紧地保守着这一发现的消息，同时检查所有可能的选项，尤其是这是否可能是来自外星智能的信号。贝尔半开玩笑地回忆说，在她的论文答辩前半年，一群外星人联系我们的星球并劫持她的博士项目，她对这种可能性并不感到兴奋。

中子星碰撞想象图

天文学家们被中子星碰撞的对称性所震撼。

12月21日，在去度假之前，贝尔再次去查看数据。她发现了另一个波浪线，与第一个信号都来自我们银河系的同一个部分。这让贝尔松了一口气：不可能有第二组外星人也在同一时刻从天空的另一部分向地球发出信号。这些脉冲一定来自一种新的、未知的天体。

中子星的自转现象示意图

然而这个认识并不比“发现外星人”的解读靠谱。非常短的脉冲意味着一个小的天体，大约十分之一光秒，这比地球大不了多少。然而，脉冲的极端规律性意味着巨大的能量储备，这说明该物体按理说必须是巨大的。他们的发现一经发表，一位描述这一发现的科学记者安东尼·米歇利斯（Anthony Michaelis）就给这个新天体起了一个广为人知的绰号：脉冲星。

微小的半径和巨大的质量使贝尔、休伊什和同事们认为它是一个被理论家称为中子星的天体。几十年后的今天，天体物理学家仍然不知道这些天体内部究竟发生了什么。但是去年夏天，《天体物理学杂志快报》上发表了一篇引人注目的文章，贝尔等人报道了一颗比我们的太阳重2.35倍的中子星，这是已报道的最重的中子星。尽管并不是每个人都认可这一观测，但它仍在合理的范围内。被公认最重的中子星有2.08个太阳质量，还有几颗超过2个太阳质量——比一些理论家认为可能的更重。这使他们重新思考当物质被推向极限时会发生什么。

蕴含巨大能量的中子星

把直径140万千米的太阳的质量塞进一个直径仅20千米的体积里，就会得到中子星。它是我们所知道的由普通物质构成的最致密的物体，仅比黑洞差一点。在我们的银河系中可能有几亿颗中子星。

把一颗星星压缩到一个城市的大小，即使对于自然界的基本力来说也不是一件容易的事。物质倾向于抵抗压缩，这就是为什么行星和恒星通常不会在自身重量下塌缩。当一颗普通恒星足够大，比太阳重8到15倍，又耗尽了所有的核燃料并被压缩到极端密度时，中子星就诞生了。恒星的外层在超新星爆炸时被抛射到宇宙空间中，而核心残留为中子星。

恒星的演化历程示意图

物理学家认为中子星有点像鸡蛋，有壳（外壳）、外核（蛋清）和内核（蛋黄）。外壳由铁核组成，因为铁这种元素是核聚变过程的终点。如果向中子星的内层走，压力不断增加。核子（即质子和中子）会被紧紧压在一起，使它们变成奇怪的形状。物理学家称这个区域为“核面团”。

在外核中，铁核分解成质子和中子。质子本身并不能持久存在。它们与电子融合形成更多的中子。这个过程产生由中子组成的液体，即所谓的中子汤。它不是普通的液体，而是一种违背了我们对流体流动的许多直觉的超流体。如果你在地球上将一些超流体放在烧杯里，它会沿着杯壁往上爬！

中子星内部物质密度分布示意图

到目前为止，中子星的物质组成虽然奇怪，但完全在物理学家在实验室中经常研究的条件范围内。再深入一点到内核，那里就是完全的谜团。中子星的核心比原子核更致密。理论家不知道那里的中子是否仍然完整，或者它们是否进一步分解成更小的粒子——夸克。极低温和超高压理论上可能导致一种夸克果冻的状态的形成。

很难想象如何研究这种极端的物质，它按定义处在濒临坍塌成黑洞的边缘状态。但是，只需考虑两个数字：中子星的大小和质量，你就可以取得惊人的进展。这两个数字反映了内核中物质形态的可压缩性。为了描述这种可压缩性，物理学家提出了一种所谓的状态方程，它将密度与压力联系起来。有许多不同的模型提出不同的组成，每个模型——每个状态方程——都预测中子星的大小和质量之间存在某种特定关系。对于给定的密度，中子星越重，压力就必须越高。

中子星示意图

把我们太阳的质量塞进一个直径为20公里的体积里，这就是一颗中子星。

天文学家有一系列技术来测量中子星的质量。其中最好的方法之一是通过脉冲星定时：持续数年甚至数十年的尺度上测量脉冲的规律性。中子星的半径则更难精确测量。

科学家从多个方面解决这个问题。他们结合核理论和引力波、射电脉冲、X射线的实验观测。X射线数据是一项特别重要的新发展，来自美国航天局于2017年在国际空间站安装的NICER（Neutron Star Interior Composition Explorer，中子星内部组成探测器）仪器。达姆施塔特工业大学的研究人员阿希姆·施温克（Achim Schwenk）在分析NICER数据时说：“如果内核中有与中子和质子不同的物质，观察重中子星是看到它的迹象的最好机会。”

中子星吞噬伴星物质并产生射流

当中子星处于双星系统中时，中子星和它的伴星的运动对两个物体的质量都很敏感。其中一个物体是另一个物体的重量标尺，反之亦然。另一种方法是研究中子星碰撞时的变形程度。变形性告诉我们，当另一个中子星靠近时，引力潮汐力压缩中子星有多困难。2017年，两个引力波探测器——美国的LIGO和意大利的Virgo——探测到了时空中微小的涟漪，创造了历史。这些涟漪是由两颗中子星相撞扰乱了宇宙的结构而引发的。就在上周，天文学家研究这一事件的余波时发现，早期的碎片，即“一团富含重金属的火球”，比预期更为对称。

双中子星产生的引力波示意

通过各种技术，理论家们逐步排除候选的状态方程。比太阳质量大两倍的中子星的发现表明，内核内部的物质不会太像果冻——它必须非常坚硬才能支撑这样的质量。但是LIGO和Virgo测量的变形性表明，状态方程并不太坚硬。

然而，仅靠天文观测是不够的。正如佛罗里达州立大学的研究人员豪尔赫·皮卡雷维奇（Jorge Piekarewicz）所称，中子星核心的密度范围巨大，从大约原子核密度的一半到的其五至六倍——在恒星内部形成一种“密度阶梯”。他和其他人必须运用不同的理论方法来描述中子星的不同层次：壳、内核等。没有一种单一的技术能够确定整个状态方程。因此，研究必然是跨学科的。皮卡雷维奇说：“这为许多领域提供了独特的协同作用，旨在理解在地球实验室无法复制的条件下物质的结构。”

中子星想象图

核物理实验可以接近重复出这些条件。一种方法是使用粒子加速器碰撞诸如金这样的重核，——例如，德国GSI海姆霍兹重离子研究中心的施韦里奥宁同步加速器18。碰撞是在飞米尺度上模拟中子星合并的过程。它们将物质压缩到原子核密度的几倍，模拟外核和内核的条件。施温克说，这些碰撞中关于状态方程的信息与天文物理学的约束非常一致。

在这种密度下，亚原子粒子的细节会表现出很大的不同。中子和质子通常被认为是相同大小的，实际上，在中子数大于质子数的原子核中略有不同——中子有一个附加的壳层，或者用行话来说是“皮肤”。皮卡雷维奇和他的合作者们认为，这层皮肤越厚，中子产生的压力就越大，对于给定的质量，中子星就会越大。由弗吉尼亚大学的肯特·帕施克（Kent Paschke）领导的一个实验小组在弗吉尼亚州纽波特纽斯的杰斐逊实验室测量了中子皮肤，以验证这一理论。

原子核内物质示意

然而，结果又带来了一个新的惊喜。杰斐逊实验室的实验表明，中子星物质非常坚****硬，比引力波观测所暗示的更坚硬。假设两者都是正确的，那就呈现出一个悖论。这可能意味着在中子星内部发生了一些新的事情——也许是一种意想不到的状态变化，将夸克果冻变成了更奇怪的东西。“如果这个坚硬-软-坚硬的结果能够得到证实，这表明中子星内部可能发生相变。” 皮卡雷维奇说，“至于相变到什么——是夸克、超子还是其他东西——现在下结论还为时过早。”

约瑟琳·贝尔在1967年夏天的那个夜晚发现的奇怪的“碎片”永远改变了天文学。它为我们打开了一个窗口，让我们看到了宇宙中最极端的物质。中子星可能不是外星人，但寻找它们的组成同样引人入胜。

作者：KATIA MOSKVITCH

翻译：云开叶落

审校：小聪

原文链接：Giant Zombie Atoms of the Cosmos