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搞出大新闻的,是中子星还是夸克星?

周恩平 发表于  2017-10-16 22:01

最近这一个月来,引力波可以说是有点红得发紫:先是美国的LIGO和欧洲的VIRGO联合搞发布会,公布了对又一个双黑洞并合事件的联合观测;没过几天,引力波的相关研究又斩获了今年的诺贝尔物理学奖。就在吃瓜群众们的嘴都还没擦干净的时候,LIGO、VIRGO以及全球其他数十家天文机构,又打算在10月16号这天一起搞个大新闻。

许多不明真相的围观群众看到天文圈里嗨得热火朝天,也纷纷兴奋或者担心起来,甚至有人最近问我“是不是发现外星人了!还是有小行星要撞地球了?”其实都不是!虽然新闻发布会的安排最近才被公之于众,但是其实早在8月下旬,相关的传言就已经在天文圈里搅得满城风雨,那就是——“探测到了双中子星并合辐射的引力波及其电磁对应体”。

要知道,以前测到的几起引力波事件,统统都来自于双黑洞系统。而黑洞最大的特点,顾名思义,就是黑,(如果不考虑量子效应)我们是无法看到黑洞的。除去黑洞的“三根毛”,即质量、角动量和电荷,黑洞摧毁了其他一切物质的信息,只是纯粹引力的一种具现。因而,在大部分情况下,双黑洞的并合是不会有任何电磁波辐射的。虽然天文学家并不死心,每一次双黑洞并合的引力波事件发生后,都会调集能利用的望远镜资源,在各个波段上去曝光一番,可是每次都几乎是一无所获。

中子星则不同。它们是大质量恒星死亡后留下的超致密残骸,通常直径不超过20千米,放在地球上甚至盖不住一些大城市的市区,而其中容纳的物质质量却超过整个太阳。正因为如此致密,当两颗中子星相互绕转且越靠越近时,也会像双黑洞系统并合一样向外辐射出引力波,能够被地球上现有的引力波探测器捕捉到。然而,与黑洞不同的是,中子星有着一个实实在在的星体表面和自己的内部结构。

一般而言,大家普遍认为,中子星有一个很薄的固态壳层,而在壳层底下是处于超流状态的中子,更内部的致密核心则可能存在更复杂的物质形态,比如超子介子甚至自由夸克。听上去是不是有点像生鸡蛋,有着固态的蛋壳、液体的蛋清,还有粘稠怪异的蛋黄?还真别说,两个中子星的并合,跟把两个鸡蛋对着磕在一块儿,还真有那么点相似:虽然两个鸡蛋最终会融合在锅里被煎成一个荷包蛋,但是在这个过程中难免会有蛋液飞溅;在中子星并合过程中,碰撞面上温度升高、星体物质被抛射出去,也是很正常不过的事情。这些温度的变化、被高速喷射出去的物质跟星际介质相互作用,以及喷射物质本身的物理变化,都会带来丰富的电磁波辐射。因此,天文学家可以同时通过传统天文学观测手段和新兴的引力波方法来共同研究双中子星并合这一过程。

带有强磁场的双中子星并合过程中形成的抛射物质盘以及喷流。(版权:NASA/AEI/ZIB M. Koppitz and L. Rezzolla)

10月16日公布的大新闻,正是LIGO和VIRGO这样的引力波探测器,与其他位于世界各地及太空中的传统电磁波天文台联手,共同发现和观测到了一起双中子星并合事件。那么,通过观测这样的现象,又可以作什么呢?一个重要的应用就是,帮助我们理解中子星的内部结构!

早在1932年,为了解释恒星能源问题(彼时人们还不知道核聚变的机制),苏联著名理论物理学家朗道(Lev Landau)便提出了中子星模型的雏形。在朗道完成这一工作时,人类还不知道中子的存在,他在论文中认为质子和电子可以形成一种束缚态,称为双子。同一年,查德威克(James Chadwick)发现了中子之后,人们才意思到,这种所谓的双子其实就是中子,并且在此基础上发展出了更完善的中子星模型。

与中子星的概念被提出时相比,如今的粒子物理理论已经经历了翻天覆地的变革:人们后来意识到哪怕质子、中子也不是基本粒子,而是由更小的单位夸克构成;关于基本粒子之间相互作用的模型,也从汤川秀树(Hideki Yukawa)的“介子在核子之间传递核力”的模型,演化到了更根本的“胶子在夸克之间传递强相互作用”的量子色动力学模型。在粒子物理这样飞速的进展的背景下,一个问题自然而然地产生了:我们如何能知道在中子还没被发现的时候就已经被提出的中子星模型,在当今的理论背景下,依然是正确适用的模型呢?换句话说,构成这种超致密天体的物质,会不会并非超流状态的中子,而是其他更致密的稳定状态物质?

传统中子星模型与由自由夸克构成的夸克星模型对比 (版权 NASA)

无独有偶,博德默(Arnold Bodmer)和威滕(Edward Witten)先后指出了一种可能性:在一定的能标下,由上夸克、下夸克和奇异夸克这3味夸克组成的物质可能是物质最稳定的存在状态。而韦尔切克(Frank Wilczek)、格娄斯(David Gross)和波利策(Hugh Politzer)3人证明了量子色动力学的渐近自由特性,即如果能量足够高,夸克之间的相互作用就会变得越来越弱而处于一种接近自由的状态。因为这项工作,3人获得了2004年的诺贝尔物理学奖。

在这样的背景下,夸克星的概念开始快速发展起来。与中子星不同,夸克星的物质最小单元不再是中子、质子,而变成了更基本的夸克。夸克星与中子星在宏观上也有诸多不同,比如夸克星比中子星更致密,同样质量下显得更小,因而能达到的转速也会更大,等等。

当然,因为量子色动力学在低能标下的非微扰特性,想要从根本上通过理论计算判断中子星和夸克星或者其他的模型到底谁对谁错,是不可能的。在这样的情况下,“中子星”反而成了一个完美的天然实验室,可以用来研究作为4种基本作用力之一的强相互作用。如果能通过天体物理观测确定它的内部结构,无疑会极大地推动人类对强相互作用的认识。

想要区分不同的物态,其实只需要测出一些“中子星”的质量和半径即可,因为不同物态的致密程度不同,质量半径关系也不同。然而不巧的是,因为“中子星”个头太小,没有办法测到表面的热辐射,同时又没有任何原子谱线,这使得天文学家常用的测量恒星大小的办法在它身上完全都不适用。一些间接的测量方法,精度又难以达到区分不同物态的要求,使得“中子星”的内部结构一直悬而未决。

定量的方法一时难以实现,定性的方法就成为了人们获得线索的关键。而双中子星并合的引力波事件,以及对其电磁波对应体的观测,就能提供一些重要的线索。

在1998年,李立新和帕琴斯基(Bohdan Paczyński)提出了一个有趣的模型。在双中子星并合喷射出的富中子环境下,会发生快中子俘获过程,即一个原子核会不停得从周围“取之不尽用之不竭”的中子环境里获得中子,变成中子远多于质子的越来越重的原子核。而随着喷射物质的膨胀,周围环境中的中子数量也慢慢降低,使得快中子俘获过程无以为继。一段时间后,中子远多于质子的这些不稳定同位素便开始发生衰变,喷射物质就好像变成了一座核反应堆,在向稳定同位素衰变的过程中释放大量能量,温度升高,放出光学、红外的辐射。后人完善了这一模型,后来称之为千新星、巨新星、李-帕琴斯基新星和并合新星,对其光变性质和辐射波段等作了详细的研究。

这一过程之有趣,不仅仅在于它完成了大量重元素的合成,其中就包括我们所钟爱的金银等贵重金属,更重要的是,它对于中子星物态的限制有着重大意义。千新星能否发生的前提,就是快中子俘获过程能否在双中子星并合的喷射物质中发生——换句话说,就是喷射物质中是否包含足够多的中子。对于除了壳层和内核外几乎都是中子的中子星而言,这当然不是什么问题,对于物质由夸克这样更基本单元组成的夸克星则不然。可以说,如果有千新星在并合后爆发,就会在很大程度上支持中子星模型;如果没有,那得到支持的就会是夸克星模型。

从16日公布的大新闻来看,这次并合事件后观测到了千新星爆发,得到支持的是已经上了些年纪的中子星模型。

当然,中子星并合过程必然是极端复杂的,并合过程中发生的丰富电磁辐射,很有可能会给天体物理学家带来各种各样新的挑战。一次单独的观测也很难从根本上解决“中子星”的内部状态这一问题。除了引力波及其电磁对应体的观测之外,我们还应期待包括“天眼”在内的射电望远镜发现更多的脉冲星,通过最快转动周期、最大质量等特征,来更加定量地区分各种各样的“中子星”物态模型!

物理学是一门以实验为基础的学科,天体物理也不例外,根据新的天文观测结果不断得完善已有的理论模型,也是我们求索的必经之路。(编辑:Steed)

热门评论

  • 2017-10-17 09:20 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手

    从形成难度来看,黄金比钻石稀罕得多了,毕竟超新星爆发还是中子星碰撞合并远比白矮星来得少(尽管地球上的钻石并非从白矮星上来)XD

    [9] 评论
  • 2017-10-17 15:09 汉尼拔wang

    不知道说这么多的各种辐射,防辐射服是不是又要大热了~~~

    [3] 评论

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全部评论(12)
  • 1楼
    2017-10-16 22:45 Chemiholic
    虽然天文学家并不死心,每一次双黑洞并合的引力波事件发生后,都会调集能利用的望远镜资源,在各个波段上去曝光一番,可是每次都几乎是一无所获。

    我也一直不死心╮(╯▽╰)╭

    [1] 评论
  • 2楼
    2017-10-17 09:20 Metaverse 录音爱好者,万有青年养成计划入围选手

    从形成难度来看,黄金比钻石稀罕得多了,毕竟超新星爆发还是中子星碰撞合并远比白矮星来得少(尽管地球上的钻石并非从白矮星上来)XD

    [9] 评论
  • 3楼
    2017-10-17 13:43 天降龙虾
    引用@Metaverse 的话:从形成难度来看,黄金比钻石稀罕得多了,毕竟超新星爆发还是中子星碰撞合并远比白矮星来得少(尽管地球上的钻石并非从白矮星上来)XD

    钻石已经能够人工制造了,但要想“点石成金”,目前的核能技术还得再上几个台阶才行。。。。。

    [2] 评论
  • 4楼
    2017-10-17 15:09 汉尼拔wang

    不知道说这么多的各种辐射,防辐射服是不是又要大热了~~~

    [3] 评论
  • 5楼
    2017-10-17 23:27 歼灭

    这样说来中子星喷发物里面什么元素都有,什么118、119、120、121号元素说不定都有,感觉一打诺贝尔奖正在袭来

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  • 6楼
    2017-10-19 00:18 猫立刻

    夸克星为什么不可能抛出大量中子呢?只要夸克合并为中子的速率相比发生千新星的过程足够快,使之不会成为速率决定步,不就可以了么?

    [1] 评论
  • 7楼
    2017-10-19 14:03 DonQuixote
    引用@天降龙虾 的话:钻石已经能够人工制造了,但要想“点石成金”,目前的核能技术还得再上几个台阶才行。。。。。

    没记错的话人工合成的还没有气泡,比天然更完美,然而人们想要的就是天然的。

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  • 8楼
    2017-10-19 14:09 天降龙虾
    引用@猫立刻 的话:夸克星为什么不可能抛出大量中子呢?只要夸克合并为中子的速率相比发生千新星的过程足够快,使之不会成为速率决定步,不就可以了么?

    因为中子不稳定啊,离开超强引力环境后,它会很快衰变成别的原子的。。。

    [0] 评论
  • 9楼
    2017-10-21 09:59 我就看看热闹
    引用@Metaverse 的话:从形成难度来看,黄金比钻石稀罕得多了,毕竟超新星爆发还是中子...

    从各种传言来看,钻石在地球的储量也不少,奈何有一种叫“商业策略”的东西对其产量造成了影响。

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  • 10楼
    2017-10-22 19:50 Lancer1

    我国伟大的物理学奖不是说还有毛子无子么,啥时候发现个毛子星无子星呢?

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  • 11楼
    2017-10-23 13:02 叶迎风
    引用@Metaverse 的话:从形成难度来看,黄金比钻石稀罕得多了,毕竟超新星爆发还是中子星碰撞合并远比白矮星来得少(尽管地球上的钻石并非从白矮星上来)XD

    黄金稀罕是元素级别的,钻石是晶体级别,炭元素并不算稀罕。大自然形成重元素的物理过程还是很有限的。

    [1] 评论
  • 12楼
    2017-10-23 13:03 叶迎风
    引用@汉尼拔wang 的话:不知道说这么多的各种辐射,防辐射服是不是又要大热了~~~

    我去整个防引力波辐射服,我就问你们服不服...

    [0] 评论

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周恩平
周恩平 北京大学天文系博士生,平时最喜欢把致密星飞快得转起来或者把两个致密星摔到一起 ,来看看它们里边到底是什么状态。

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