为什么大中子星像 Tootsie Pops 一样？

地球是宇宙中一个温暖的绿洲，而宇宙中充满着极端的物质，中子星是其中最极端的。中子星形成于一定质量的恒星死亡时，它们的核心坍缩，将相当于几个太阳的质量塞进一个城市大小的球体中。在中子星内部，我们所熟知的原子——被电子云包围的密集的质子和中子珠——不复存在。引力将原子中心挤压在一起，中子相互并肩而立。如果质量再大一些，恒星就会坍缩成黑洞，原子从视野中消失。

加州州立大学富勒顿分校的天体物理学家乔斯林·里德写道：“中子星是物质抵抗强大引力的最后抵抗之地”。

虽然天文学家可以通过多种方式探测中子星，但对其内部究竟发生什么情况仍知之甚少。但经过数十年的研究，最近的观察和理论进步共同表明，这些物体可能需要重新定义。周一发表在《自然物理学》上的一项研究表明，一些最重的恒星可能更像太妃糖，而不是僵硬的中子球：松脆的中子壳包裹着一种被称为“夸克物质”的奇异物质的粘性中心。研究人员已经在剧烈的粒子碰撞中创造了夸克物质，但长期以来一直在争论中子星是否具备在野外彻底粉碎亚原子粒子的能力。如果该团队的结论正确，将代表对质子和中子在压力下如何表现的新认识，并可能更新各种金属如何来到地球的故事。

“我们现在看到了中子星内部可能存在夸克物质的迹象，”论文合著者、欧洲核子研究中心 (CERN) 粒子物理学家阿列克西·库尔克拉 (Aleksi Kurkela) 表示。“这非常令人兴奋。”

中子星是恒星在不完全放弃的情况下可以呈现的最狂野的形式，它将我们关于物质的最佳理论推向了极限。在低能对撞机实验中（因此在低物质密度下），质子和中子像台球一样干净地相互弹开。在这些条件下——密度高达每立方厘米数亿吨——中子会像刚性构件一样结合在一起。

奇怪的是，物理学家也知道在难以言喻的高密度下会发生什么。当高能对撞机实验将比低能对撞机多数百倍的粒子塞入同一空间时，质子和中子就会瓦解。它们的内部，即夸克和胶子，会全部溢出，形成一种粘稠的物质，被称为夸克胶子等离子体——一种所谓的“夸克物质”。

但密度介于两者之间时会发生什么情况仍不得而知。实验极具挑战性，当中子变得柔软但又没有完全融化时，数学工具就会失效。而中子星恰好落在这个理论裂缝的中间，促使天体物理学家花费数十年时间思考中子在它们的核心中会发生什么。它们会像乐高积木一样保持坚硬吗？还是像葡萄一样被压扁，让夸克流动？（当物理学家谈论中子星时，熟悉的词语就会具有新的、非常相对的含义。即使是最轻、最冷、最松弛的中子星也会比地球上的任何东西都更致密、更热、更坚硬）。

Kurkela 和他的同事相信，他们终于掌握了足够的信息来将这些点联系起来。中子星研究的最终目标是确定在给定密度和温度下物质的反推力到底有多大——基本上就是测量中子的硬度或软度。该小组考虑了超过 50 万种可能的模型，并使用一系列观察结果来挑战这些模型。

在密度较大的一端，天文学家发现了质量约为两倍太阳质量的中子星，这意味着承载如此重量的恒星需要一定的刚度。在另一端，研究人员探测到了密度较低的双星合并产生的引力波，每对双星的质量约为 1.5 倍太阳质量。通过观察引力如何导致恒星在靠近时膨胀（或不膨胀），物理学家可以收集有关它们的大小和柔软度的更多信息。至关重要的是，该团队还加入了从夸克和胶子理论推断出的数学计算，以预测中子星的声速（另一种刚度测量方法）。

当挑战结束时，幸存的模型给出了一个明确的答案：较小的中子星可能完全是中子。但已知最重的恒星，那些摇摇欲坠的黑洞边缘的恒星，应该在中间变软——这是中子让位于夸克的明显迹象。“如果它看起来像夸克物质，那它很可能就是夸克物质，”库尔克拉说。

其他物理学家称赞该团队的工作十分透彻。加州州立大学富勒顿分校的引力波研究员菲利普·兰德里 (Philippe Landry) 表示：“这是第一篇真正综合考虑所有这些因素并大胆宣称这些夸克物质核心几乎肯定存在的论文。它确实在不断突破极限，迫使我们重新评估我们所知道的知识。”

然而，他并不完全相信这能完全结束这一论点。兰德里和他的同事最近完成了一项类似的分析，该分析结合了国际空间站对中子星的额外观察。他们的研究支持中子星的声速更快，这表明中子星的刚性可能使夸克物质核心不太可能形成。

未来，更大规模的中子星观测数据将加强此类分析。改进的中子星理论将产生深远影响，甚至对地球上更柔软的物质也是如此。

中子星碰撞可能形成金和铂等常见元素，这一理论得到了 2017 年望远镜捕捉到的一次合并引力波探测的证实。如果你佩戴任何精美珠宝，其大部分原子可能就是在这种碰撞中形成的，其夸克可能存在于中子星的核心中。但兰德里说，这些原子中有多少来自碰撞，又有多少来自其他地方，取决于核心是脆的还是粘的。