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大质量中子星具有夸克态的内核

物理学家使用2017年8月首次从中子星碰撞事件中检测到的引力波数据以及从观测大质量中子星得到的数据进行的全新计算发现,现有证据强烈暗示了一个令人兴奋的结果——最庞大的中子星的核心是如此密集,连原子核都不复存在,物质凝结成夸克形态的亚原子汤。

大质量中子星具有夸克态的内核

研究人员说,这是理解这些极端天体的奇异内核的里程碑式成就。

赫尔辛基大学和赫尔辛基研究所的理论物理学家Aleksi Vuorinen表示:“自从约40年前首次提出这种可能性以来,搞清中子星内部是否存在夸克核,一直是中子星物理学最重要的目标之一。”

中子星非常狂野。它们实际上已经死了——原本质量相当于8至30个太阳的大质量恒星的残留物。当这些恒星进入超新星状态时,大部分质量随着爆发流失。剩下的核心坍塌成一个难以置信的致密天体。

质量范围约为1.1至2.3个太阳,填充到只有6.2至12.4英里半径的小球体中。构成该物体的原子中的质子和电子被压缩为中子和中微子。中微子逃逸,使中子在如此高压的条件下融合在一起,使中子星本质上成为一个“大核”。

但是,随着密度的提高,几十年来,天文学家一直认为,在足够高的热量和密度下,中子会进一步分解成更基本的夸克。

但是,要弄清中子星的内部,无疑是非常困难的。毕竟我们连地球核心真正发生着什么都知之甚少。因此对于天文学家来说,2017年8月的中子星大碰撞——天体事件记录编号GW170817——非常令人兴奋。

Vuorinen和他的团队使用了引力波信号以及前沿的理论和粒子物理学的结果进行复杂计算。他们发现,趋近此类天体质量上限的中子星——至少2个太阳质量——具有强烈的夸克物质核的特征。

这不是决定性的证据。但是这些计算表明,如果核心不是夸克物质,那么就必然存在某些更加离奇的机制。

Vuorinen解释说:“所有中子星仅由核物质组成的可能性仍然很小,但并非为零。但是,我们能够做的就是量化这种情况的条件。总之,密集核物质的行为将需要真正奇特的附加条件。例如,声速需要达到光速。”

宇宙学家认为,在宇宙大爆炸发生后被称为夸克时代的的那几微秒内,宇宙充满了夸克-胶子热汤,汤又迅速融合成强子。

如今,我们只能在粒子对撞机实验中非常短暂地瞥见夸克物质。如今,巨大的中子星可能将其藏在内心。如果我们可以搞清中子星内核夸克化的方式,则可以更好地理解夸克时代。

“我们有理由相信,引力波天体物理学的黄金时代才刚刚开始,不久我们将目睹更多这样的理论跃进,让我们对自然的理解飞速升上一个台阶。”

该研究已发表在《自然·物理学》上。

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