「星」如其名：奇異星

共 6 張圖片Ian O』Neill文Shea編譯 恆星就像普通人一樣，有生老病死。當大質量的恆星走到其生命終點的時候，會以劇烈爆炸——超新星——的形式結束它「光輝」的一生。爆發之後它會留下遺骸，一顆中子星或者一個黑洞。但如... 全文↓作者：Shea | 來自：科學松鼠會

Ian O』Neill文Shea編譯

恆星就像普通人一樣，有生老病死。當大質量的恆星走到其生命終點的時候，會以劇烈爆炸——超新星——的形式結束它「光輝」的一生。爆發之後它會留下遺骸，一顆中子星或者一個黑洞。但如果這個遺骸比上質量太小無法成為黑洞，比下質量太大無法形成中子星，又會怎麼樣？

事實上，一直到最近天文學家們都不認為在中子星和黑洞之間會存在一個「灰色地帶」，大質量恆星死亡的產物必定是中子星和黑洞這兩者之一。

然而現在興許有一種奇特的恆星能填補這一空白。雖然它們還沒有被觀測到，但天文學家們相信「奇異星」（又稱「夸克星」）應該是存在的，而科學家們也僅僅是剛剛才認識到這類天體究竟有多「奇異」。

奇異的誕生

首先，中子星、夸克星和黑洞都是通過相同的機制誕生的——超新星爆發。但是，這三者的質量呈遞增關係，因此通過超新星產生它們的恆星的質量也必定是遞增關係。

那麼，如果一個恆星發生爆炸，它的產物怎樣才能算是一顆中子星呢？構成中子星的中子物質具有一種特殊的性質——中子簡併，它們可以產生向外作用的中子簡併壓。當中子星自身向內的引力和向外的中子簡併壓達到平衡的時候，中子星就出現在你眼前了。

如果從超新星中誕生的這顆中子星質量太大，中子簡併壓無法抵擋向內的引力，結果會如何呢？

在這種情況下，夸克就會挺身而出取代中子，防止天體進一步坍縮。這裡所說的「夸克」是比中子更小的物質單位，1個中子由3個夸克組成：2個下夸克和1個上夸克。

當夸克簡併壓和引力間達到平衡之後，一顆夸克星就此誕生。這時自由的上夸克和下夸克就會轉變成奇異夸克。因此，夸克星其實是由奇異夸克物質所組成的，也正是因為如此它們還被稱為奇異星。

[圖片說明]：中子星（左）和夸克星（右）的比較。版權：NASA。

不同尋常的發現

迄今傳統觀點一直認為夸克星的尺寸應該比中子星小。這看上去似乎是合理的，因為夸克星是在中子星的基礎上進一步坍縮而成的，這使得其中的物質會變得更加緻密，於是佔用的體積就會減少。但根據一個由德國、瑞士和美國科學家組成的國際合作小組的最新計算，夸克星實際上可能會比它們的表兄中子星大。但這怎麼可能呢？

這些複雜的計算牽涉到中子星和夸克星的「狀態方程」，它描述了組成這兩類天體的物質本身的性質。他們的計算結果顯示，一顆質量為太陽2.5倍的夸克星會比質量為太陽2倍的中子星要來得大。

這一發現對於尋找潛在的夸克星而言是非常有趣的。如果天文學家發現了一顆具有2.5個太陽質量的大型中子星的話，也許他們真正看到的其實是一顆夸克星。

一旦發現了夸克星，它不僅對於天文學家而言具有重要的意義，對於在歐洲核子中心工作的物理學家而言也是如此，他們可以藉此獲得自然產生的「奇異夸克物質」的大量信息。雖然大型強子對撞機可以製造出高溫「夸克膠子等離子體」，但實驗室里至今還無法製造出奇異夸克物質，所以夸克星的發現將會惠及天體物理學家和粒子物理學家。

然而，故事還沒有結束。奇異星還能更「奇異」。

大爆炸實驗室？

在另一項研究中，科學家為夸克星進行了仔細地「體檢」，並且試圖把它推向極限。一個有趣的問題是，給最大質量的夸克星再添加一點物質的話會發生什麼？在它坍縮成黑洞前是否還存在一個超越於夸克星之外的狀態？

根據已知的粒子物理標準模型，一顆大質量的夸克星會具有足夠的引力能來「燃燒」奇異物質。在強引力的作用下，夸克星核心裡的夸克也許會被快速地「燃燒」，進而轉變成純粹的能量和中微子。

[圖片說明]：弱電星結構。

但真正令人著迷的地方是，由於夸克星極為緻密，甚至連在通常情況下能穿透一切的中微子也無法逃離。於是，燃燒夸克所產生的這些能量和中微子就會形成向外的壓力來抵抗引力。科學家們將這樣一顆夸克星稱為「弱電星」。計算髮現弱電星可以處於這一穩定狀態大約1千萬年，而此時它可以同時具備蘋果的「身材」和兩個地球的質量。

現在壓軸戲要上演了。弱電星的核心由此會具有極端高的密度，只有大爆炸之後十億分之一秒的宇宙才能與之匹敵。這些極端的天體將會像是一個迷你的宇宙大爆炸實驗室，在其中的高壓之下電磁力和弱相互作用力（四種基本作用力中的兩種，另外兩種為引力和強相互作用力）會非常接近，幾乎無法區分。這為進一步深入認識自然界的基本作用力提供了絕佳的機會，甚至還有可能會引發新的物理學革命。

雖然奇異星奇異得讓人不敢相信它們會真實地存在於宇宙之中，但天文學家們正在傾其所能來尋找它們。隨著下一代望遠鏡和其他探測設備的投入使用，這些奇異的天體說不定會給我們一個誰都不曾料想到的驚喜。

（本文已刊載於《百科知識》2010年第3期A）

[Discovery News 2010年01月19]

本文地址（轉載請註明出處）：複製