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夸克星解释(夸克星是什么)

如果让你说出宇宙中除了黑洞之外密度最高的天体,恐怕一般都会回答是中子星。的确,中子星让人类第一次见识了原子核级别的高密度物质(可以将中子星看成是一个巨大的原子核),每立方厘米的质量高达1亿到10亿吨,颠覆了人们的想象。然而,就没有比中子星密度更高的选手了吗?还真有一位候选者,它就是本文的主角:夸克星。

中子星的艺术想象,夸克星也大致如此

夸克星的名字十分霸气,夸克是构成质子、中子等基本粒子的更小的物质单元,夸克星顾名思义就是由夸克组成的星体,比中子星体积更小,而密度甚至可以达到中子星的几倍甚至几十倍,绝对是个厉害的角色!

夸克的尺度

按照恒星演化规律,中小质量的恒星的寿命末期会变成白矮星,更大质量的恒星在超新星爆发后形成中子星,当恒星的质量再大,但又不足以形成黑洞时,中子也会被压碎,形成由夸克物质构成的夸克星。这听起来很合理,但夸克已经进入了量子色动力学的领域,具有一些奇特的性质,如渐近自由、夸克禁闭等,事情就没那么简单了。

今天,人马君就与大家一起探寻神秘的夸克星,了解一下这个传说中极端致密天体的前世今生。

关于夸克星的预言,还要从超新星能量之谜说起。对于超新星爆发的机制,天文学家直至现在还没能给出一个圆满的解释,这可能会让大家感到很意外,说实话,人马君也很意外!

超新星爆发

早在公元1054年,人类第一次记载了超新星。那时正是宋朝,司天监向皇帝汇报了客星的出现和消失。那次爆发形成了著名的蟹状星云和星云中央的中子星。

蟹状星云

根据目前比较流行的II型超新星理论,在大质量恒星的生命末期,中心区域的氢燃料耗尽,开始了氦聚变,恒星随之膨胀为红超巨星。如果质量够大的话,星体核心不断合成更重的元素,并继续释放出能量。但当合成到铁和镍的时候,再通过聚变或α粒子吸收来合成更重的元素时,不仅不再释放能量,反而需要吸收能量来克服库仑斥力。

氦核聚变成碳12

因此,在红超巨星的中心,就形成了一个铁(镍)核。当铁核质量达到钱德拉·塞卡极限(1.44倍太阳质量),由泡利不相容原理产生的电子简并压将无法抵抗引力,铁核变得不稳定。在引力的作用下,铁核迅速坍缩,直到强相互作用力(中子简并压)与引力达到平衡为止。

超新星1987A爆发后喷出的物质

从这时起,理论与实际开始出现分歧。一开始,科学家认为铁核坍缩过程产生了大量携带能量的中微子,与外壳物质相互作用,造成了超新星爆发,但计算表明,由于中微子与物质的作用非常微弱,这些中微子和能量不足以造成如此强烈的爆炸。后来,又提出了反弹理论:在铁核坍缩后,外层物质随之以极高速度向下坠落,撞击在停止收缩的核心上,形成了反弹激波,激波向外传播,炸开了恒星外壳,形成了爆发。

计算机模拟反弹激波

反弹激波向外扩展

反弹理论听起来很靠谱,然而详细分析表明,反弹激波会迅速衰减,根本无法把恒星炸成一朵大烟花。于是,科学家又提出了更进一步的理论:中微子加热理论,它将中微子与反弹理论结合,指出核心坍缩释放的中微子会加热反弹激波后方的物质,形成热泡,推动激波向外传播,实现炸开恒星的宏伟目标。这一理论在计算模拟中实现了超新星爆发,但爆发的能量还是太小,与观测不符。

听了以上描述,您可能也了解了:到现在为止,还没有一个理论能很好的解释猛烈而常见的超新星爆发现象。这样的问题怎能不引起大人物的注意,于是,M理论之父、有弦理论界教皇之称的爱德华·威顿登场了。

弦理论教皇的猜想:奇异夸克物质

在1970年代后期,科学界已经提出了夸克星的构想,即考虑恒星的质量够大时,在铁核坍缩后,即使是中子简并压也无法抵抗引力,核心会继续压缩,直到中子也被压破,成为自由夸克气体,而当夸克的简并压能够抵抗引力时,就形成了夸克星。

然而,在夸克的世界里,自由夸克气体是一个很讨厌的东西,于是,在如此强的压力之下,夸克们似乎向着另一个截然不同的方向发展了。1984年,爱德华·威顿发表了一篇论文,提出了奇异物质的概念,以及由奇异物质构成的奇异星,与自由夸克气体相比,这也许更接近夸克星的真实面目。

弦理论教皇:爱德华·威顿

在威顿的设想中,奇异物质由上、下和奇夸克组成,也就是u,d,s三种夸克。而构成自然界中一般物质的质子、中子,都是由3个u和d夸克组成的。由于存在夸克禁闭(即夸克之间的距离越远,相互作用力越大),导致不存在游离在外的夸克。而s夸克具有奇异量子数(在弱相互作用中不守恒),被称为奇异夸克。

构成中子、质子等重子的夸克类型,左上角为中子,右上角为质子

前面说到,在超新星爆发时,恒星内部的铁核崩溃坍缩,最后由中子简并压抵抗住了引力,形成了中子星的雏形。由于中子是费米子,它必须在空间中占有体积,在中子星中,中子密度非常高,相互之间靠得很近,由此导致能量非常高(费米能),当高到一定程度时,一个u夸克和一个能量极高的d夸克,可能发生弱相互作用过程,转化为一个u夸克和一个s夸克,而在一定条件下,s夸克也可以重新转化为d夸克。当反应达到平衡时,u,d,s三种夸克的数量差不多,s夸克略少,形成了奇异物质,而中子星将成为奇异星,也就是夸克星。

威顿在1984年论文中指出,以奇异物质形式存在的夸克物质,其能量水平应该比中子星物质更低,也就比中子星物质更稳定。理论上,中子物质最终都应该转化为奇异夸克物质,但这一过程可能比宇宙的寿命更长久。

理论计算表明,在超新星爆发前那一刻,中子物质一旦开始向奇异夸克物质转化,速度可以用迅雷不及掩耳来形容。当达到合适的条件时(例如引力压缩),中子物质通过强相互作用先转化为由u、d两种夸克组成的正常夸克物质,也就是所谓的自由夸克气体,但它存在的时间甚至小于1微秒,随后便通过弱相互作用转化为u、d、s三种夸克组成的奇异夸克物质。一旦中子星的中心形成了奇异夸克物质,整个星体会在很短时间内全部转变为奇异星,对于这一过程,科学家提出了爆轰和扩散两种形式,转变的时间从不足1秒到几十秒不等。

由于奇异夸克物质的能量低于中子物质,在转变过程中,将以中微子的形式释放出大量能量,可以加热外层物质,推动激波前进,终于让计算中的超新星成功爆发了!

一个巨大的基本粒子

夸克星的物质形态与正常世界里完全不同,具有很多奇怪的现象。由于夸克禁闭被突破,整个夸克星实际上形成了一个巨大的基本粒子,如同一个中子或一个质子一样,这与中子星截然不同。

中子星与奇异夸克星

而夸克物质被束缚在一起,靠的却并不是巨大的引力,而是整体的夸克禁闭,因此奇异夸克物质不一定要形成大的夸克星,也能以小块的形式存在,而最小的奇异夸克物质就是著名的H双重子,由2个u,2个d和2个s夸克组成。

据分析,夸克物质有着极高的黏性,由于三种夸克可以在不同的密度条件下可以相互转化,任何振动都会被迅速抑制,因此会像糯米粘糕一下,很黏牙!

像糯米粘糕一样黏……

如果一个夸克星由纯夸克物质构成的话,由于夸克之间的作用距离非常短,短到不足1飞米(10^-15米),它的表面将异常光滑,没有任何细小的起伏,只在外表包着一层薄薄的电子。

而如果夸克星吸积了来自其它地方的正常的原子核物质,会在外面形成一个核物质壳,这个壳与夸克物质之间有一个几百飞米的间隙,间隙中的电场和电子阻止了核物质落在夸克物质上。如果吸积的物质越来越多,核物质壳的厚度越来越大,内侧的原子核和电子密度越来越大,最终将电子压入原子核,形成中子物质。由于中子不受间隙电场影响,可以向下落在夸克星上,使夸克星的体积变大。此时核物质壳的厚度就不会再增加了。

带壳的夸克星

惊人的高密度

下面来探讨一下大家关心的夸克星的密度问题。由于物质形态的不同,奇异夸克星和中子星的质量与半径的关系差别相当大,下面的曲线可以直观的表现出这种差异。

中子星与夸克星的质量与半径的关系,不同的曲线类型表示不同的物态

可见,夸克星的半径随着着质量的增大而增大,而中子星的半径随着质量增大而减小,且一般不会小于10公里。当质量比较小时,同样质量的夸克星的半径可能仅为中子星的几分之一,也就是说密度将比中子星大几十倍,达到每立方厘米20亿吨左右,非常惊人。像人马君这么大的一块奇异夸克物质,重量可以达到160万亿吨,已经不能用重于泰山来形容了,因为这比1000个泰山还要重!

中子星与夸克星的典型大小

而质量比较大时,夸克星与中子星的大小可以重叠,也就是说,一些大质量的中子星和夸克星的密度是差不多的,这也是有时难以区分夸克星和中子星的原因。

寻找夸克星

自从夸克星的概念被提出以来,天文学家寻找夸克星的努力就从未停歇,但是迄今为止,还从未找到能证明夸克星存在的确凿证据,这是因为夸克星与中子星外在的特征实在太像:直径都很小,都有高速的自转,都有很强的磁场,甚至都会有规律的发出电磁脉冲……如果说有区别,那就是夸克星的直径会比中子星小,如果一个致密星的直径小于8公里,那很可能就是夸克星。但要测定这么小的星体的直径相当的难,只能在有吸积盘的情况下,通过测定吸积盘内圈直径来估计。

还有一种方法:由于夸克星更加致密,同时还具有极强的体黏滞性,因此可以承受更高的旋转速度,如果一个致密星的旋转周期达到了亚毫秒级,那它也很可能是夸克星。

目前比较公认的夸克星候选者当属RX J1856.5-3754和3C58, 这二位在钱德拉X射线望远镜下的成像是这样的:

RX J1856.5-3754和3C58的X射线成像

RX J1856.5-3754是距离我们只有400光年的一颗致密星,根据钱德拉望远镜的观测数据分析,它的表面温度为70万度,直径可能不到12公里,比一般的中子星要小得多,很可能是一颗奇异夸克星。

而3C58则是一个在公元1181年就被中国和日本观测到的超新星爆发的残骸,距离我们一万光年,虽然这是一颗很年轻的致密星,但其温度却已经低于100万度,如此快的冷却速度,在中子星理论中是无法解释的,因此也认为可能是夸克星。

钱德拉望远镜拍摄的3C58附近图像

除了上面两个之外,夸克星的候选者还有很多,但它们都没有得到确切的证明。同时,最小的奇异夸克物质单元——H双重子也从未被实验发现。对夸克星的探寻,依然是天文学界的一个热门议题。

夸克星是终极吗?

夸克星虽然还没有找到,好奇的人们已经在思考更激进的理论了:在夸克星和黑洞之间,还会不会存在更加致密的天体呢?俗话说,人有多大胆,地有多大产,只要脑洞大开,创新点总会有的!人们已经提出了许多密度比夸克星还高的假想天体,例如以下这几个疯狂的想法:

先子星:虽然在实验中,夸克和轻子是没法再分了,但科学界曾经假设过一种更小的物质单元——先子,并假定夸克和轻子都是用先子构成的。如果先子存在的话,如果引力增大以至于夸克也被压碎的话,有可能形成以先子简并压来抵挡引力的先子星。假如先子星存在,它的密度将达到每立方厘米100万亿吨,人马君已伙呆!

电弱星:如果先子不存在的话,别急,还有一根稻草可用:夸克也会燃烧,它可能会通过电弱燃烧转化为轻子,并释放出能量,这些能量可以暂时抵挡一下过分巨大的引力,从而维持住星体而不变成黑洞。据说,一颗苹果大小的电弱星的质量相当于两个地球!但是随着夸克的消耗,电弱星注定是不会长久的,大概只能存在一千万年左右。

量子真空星:量子力学认为真空并不是空的,而是有虚粒子不断出现和湮灭,当引力将物质压缩到极致时,真空被极化,产生了斥力,形成了量子真空星。它的性质已经很接近黑洞,甚至用现有观测技术很难将其与黑洞区分开来。

普朗克星:一种观点认为黑洞并不存在,因为根据量子力学,物质的尺度不可能小于普朗克长度,引力把物质压缩到1个普朗克密度之后,就达到了密度的极限,将无法再压缩,从而形成了普朗克星,它甚至像黑洞一样有事件视界。普朗克星是不稳定的,会立即发生反弹,但由于引力越强的地方时间流逝得越慢,在外面的观测者看来,普朗克星的寿命与黑洞一样长。

这么看,普朗克星如果存在的话,应该是终极的致密星了!

啰里啰唆的说了这么多,大家对夸克星应该有一些了解了吧?其实,包括夸克星在内的多种致密星,还仍然只是理论上的猜想,这些猜想未必就一定成立,也许哪一天会被实验或新的更靠谱的理论证伪。但这些假说代表了人类对未知的探寻,不管最终能不能成立,都具有开创性的意义。另一方面,人马君深深的感受到,微观和宏观是统一的,如果我们搞不清楚微观的机理,也就无法解释宏观的现象,这也许就是科学家们孜孜不倦的追求大统一理论的原因吧!

中子星夸克黑洞

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