结合重力波数据,天文学家相信中子星有通用夸克核心

中子星是宇宙中最小但密度最高的恒星,其内部中子和质子紧密堆积在一起,因此恒星本体几乎可被视为一个巨大原子核。过去科学家一直不清楚中子星内部是否坍塌成另一种更奇特的夸克物质,现在新研究通过中子星碰撞之重力波结果推论出,其内部可能拥有夸克核心(quark cores)。

一般情况下,质子和中子是由夸克组成的复合粒子,但当处于极端温度或极高密度下时,原子物质会塌陷成非常密集的核物质,而科学家长期怀疑中子星内部可能会有比核物质更奇特的状态,称为夸克物质(quark matter):中子、质子“融化”混在一起、使原本被关禁闭的夸克能自由移动,该状态下不再存在“原子核”。

据信,夸克物质在大爆炸后约20微秒内充满于宇宙中,但如今由于宇宙冷却,仅可能在大型强子对撞机实验或中子星核心发现它们──中子星半径通常仅约10公里,但质量却是太阳1.4~2.2倍,为宇宙中密度仅次于超大质量黑洞的天体,因此物理学家认为夸克物质应存在于中子星内部。

中子星全由核物质组成的可能性非常小,但并非为零,因此科学家要做的事情就是量化中子星由通用物质构成的数据,2017年时,LIGO与Vergo首次探测到了2个中子星整合所产生之重力波,并得出中子星半径的上限约13公里,而随着中子星半径与质量的消息披露越多,越能减少中子星物质与热力学相关的不确定性。

现在芬兰赫尔辛基大学团队将理论与天体测量结果相结合,认为可推论出中子星内部物质的特征与特性,尤其是质量达太阳2倍以上的中子星,几乎可以确认它们拥有夸克核;在某些情况下,夸克物质甚至可能构成中子星本身一半以上。

重力波物理学才刚进入黄金时代,科学家将握有越来越多中子星数据,期望解开通用物质之谜。新论文发布在《自然物理学》(Nature Physics)期刊。

(首图来源:赫尔辛基大学)