中子星：自然界最奇異的物質形態

當一顆 20 個太陽大小的恆星死亡時，它會變成天體物理學家扎文·阿祖曼尼安所說的“大多數人從未聽說過的最離譜的物體”——一個城市大小、密度難以置信的物體，被稱為中子星。一塊乒乓球大小的中子星碎片將重達十億多公噸。在恆星表面之下，在引力的擠壓下，質子和電子融合成一體，形成主要由中子組成的物質——因此得名。至少，我們是這樣認為的。這個問題遠未解決。天文學家從未近距離觀察過中子星，地球上也沒有任何實驗室可以創造出哪怕接近相同密度的物質，因此這些物體的內部結構是太空領域最大的謎團之一。“它們是自然界允許的最高穩定密度的物質，但我們不瞭解其結構，”在 NASA 戈達德太空飛行中心工作的阿祖曼尼安說。它們也是已知引力最強的物質形態——只需再增加一點質量，它們就會變成黑洞，黑洞根本不是物質，而是純粹彎曲的空間。“在那個臨界點會發生什麼，”阿祖曼尼安說，“正是我們試圖探索的。”

關於那個臨界點會發生什麼，有幾種相互競爭的理論。一些觀點認為，中子星實際上只是充滿了普通的中子，也許還有一些質子。其他觀點則提出了更為奇異的可能性。也許中子星內部的中子會進一步分解成構成它們的粒子，稱為夸克和膠子，它們在自由流動的海洋中不受束縛地遊動。還有可能這些恆星的內部是由更奇異的物質構成的，例如超子——由不尋常的粒子組成，這些粒子不是由普通的“上”夸克和“下”夸克（原子中發現的那種）組成，而是由它們更重的“奇異夸克”表親組成。

除非切開中子星並觀察內部，否則沒有簡單的方法知道這些理論中哪個是正確的。但科學家們正在取得進展。2017 年 8 月，地球實驗探測到引力波——時空中的波動，由大質量物體的加速產生——這似乎是兩顆中子星正面碰撞產生的。這些波攜帶了恆星在碰撞前瞬間的質量和大小資訊，科學家們利用這些資訊對所有中子星的特性和可能的組成成分設定了新的限制。

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線索也來自中子星內部成分探測器 (NICER)，這是一項於 2017 年 6 月在國際空間站啟動的實驗。NICER 觀測脈衝星，脈衝星是高磁性、快速旋轉的中子星，它們發出掃射的光束。當這些光束掠過地球時，我們看到脈衝星以每秒超過 700 次的速度閃爍。透過這些實驗和其他實驗，瞭解中子星內部情況的前景終於變得可能。如果科學家能夠做到這一點，他們將不僅掌握一類宇宙奇物，還將掌握物質和引力的基本極限。

超流體海洋

中子星是在被稱為超新星的災難性事件中形成的，超新星發生在恆星耗盡燃料並停止在其核心產生能量時。突然，引力失去了抵抗，像活塞一樣猛烈地撞擊恆星，吹走外層，並粉碎核心，而此時恆星生命週期中的核心主要由鐵組成。引力非常強大，它完全壓碎了原子，將電子推入原子核內部，直到它們與質子融合形成中子。“鐵在每個方向上都被壓縮了 10 萬倍，”聖路易斯華盛頓大學的物理學家馬克·阿爾福德說。“原子從十分之一奈米大小變成了一個只有幾個飛米寬的中子團。”這就像將地球縮小到一個街區的大小。（飛米是百萬分之一奈米，奈米本身是十億分之一米。）當恆星完成坍縮時，它包含大約 20 箇中子對應一個質子。斯托尼布魯克大學的天文學家詹姆斯·拉蒂默說，它很像一個巨大的原子核——但有一個重要的區別。“原子核透過核相互作用結合在一起，”拉蒂默說。“中子星透過引力結合在一起。”

天文學家沃爾特·巴德和弗裡茨·茲威基在 1934 年提出了中子星的概念，以此來回答超新星之後可能剩下什麼的問題——他們同時創造了超新星這個術語來描述天空中被發現的超亮爆炸。距離英國物理學家詹姆斯·查德威克發現中子僅僅兩年。最初，一些科學家懷疑如此極端的物體是否可能存在，直到 1967 年喬斯林·貝爾·伯內爾和她的同事觀察到脈衝星——以及次年研究人員確定它們一定是旋轉的中子星——這個想法才被廣泛接受。

物理學家認為，中子星的質量範圍可能在太陽質量的一倍到兩倍半之間，並且它們可能至少由三層組成。外層是由氫和氦組成的氣態“大氣層”，厚度為幾釐米到幾米。它漂浮在千米深的外“地殼”之上，外殼由排列成晶體結構的原子核組成，原子核之間有電子和中子。第三層，即內部層，構成恆星的大部分，有點神秘。在這裡，原子核被儘可能緊密地擠壓在一起，核物理定律允許的範圍內，它們之間沒有分離。當您向核心內部移動時，每個原子核容納的中子數量越來越多。在某個時刻，原子核無法再容納更多的中子，因此它們會溢位：現在沒有原子核了，只有核子（即中子或質子）。最終，在最內層核心中，這些核子也可能會分解。“我們正處於假設狀態，我們不知道在這些瘋狂的壓力和密度下會發生什麼，”阿爾福德說。“我們認為可能發生的情況是，中子實際上被壓碎在一起，它們重疊得太厲害了，你真的不能再把它說成是中子的流體，而是夸克的流體了。”

這種流體採取何種形式是一個懸而未決的問題。一種可能性是夸克形成“超流體”，超流體沒有粘度，一旦開始運動，理論上永遠不會停止運動。這種奇異的物質狀態是可能的，因為夸克對其他夸克有親和力，如果它們被推得足夠近，它們可以形成結合的“庫珀對”。就其本身而言，夸克是費米子——一種自旋的量子力學值為半整數的粒子。當兩個夸克配對時，它們共同充當一個玻色子——一種自旋等於零或一或其他整數的粒子。發生這種變化後，粒子遵循新的規則。費米子受泡利不相容原理的約束，該原理規定沒有兩個相同的費米子可以佔據相同的狀態——但玻色子沒有這種限制。當它們是費米子時，夸克被迫採取更高的能量，以便在擁擠的中子星中相互堆疊。然而，作為玻色子，它們可以保持在可能的最低能量狀態——任何粒子首選的位置——並且仍然可以擠在一起。當它們這樣做時，夸克對形成超流體。

在核心密度最高的部分之外，中子可能完好無損，中子也可以配對形成超流體。事實上，科學家們相當肯定恆星地殼中的中子會這樣做。證據來自對脈衝星“星震”的觀測，星震是指旋轉的中子星快速加速的事件。理論家認為，當恆星整體的旋轉速度與其地殼內部超流體的旋轉速度不同步時，就會發生這些星震。總的來說，恆星的旋轉速度隨著時間的推移自然減慢；超流體沒有摩擦地流動，因此不會減慢。當這些速率之間的差異變得太大時，超流體會將角動量傳遞到地殼。“這就像地震，”拉蒂默說。“你會得到一個打嗝和一次能量爆發，自旋頻率會在短時間內增加，然後又恢復正常。”

2011 年，拉蒂默和他的同事提出，他們還在中子星的核心中發現了超流體的證據，但他承認這仍然有待商榷。為了找到那個證據，拉蒂默的團隊，由墨西哥國立自治大學的丹尼·佩奇領導，研究了 15 年來對仙后座 A 的 X 射線觀測，仙后座 A 是 17 世紀首次在地球上可見的超新星遺蹟。科學家們發現，星雲中心的脈衝星冷卻速度比傳統理論表明的要快。一種解釋是，恆星內部的許多中子正在配對變成超流體。這些對會斷裂並重新形成，釋放出中微子，這會導致中子星失去能量並冷卻。“這是我們從未想過會看到的事情，”拉蒂默說。“但瞧，確實有這麼一顆年齡合適的恆星讓我們看到了這一點。證據將在大約 50 年後出現，屆時它應該開始減速冷卻，因為一旦超流體形成，就不會再有額外的能量損失。”

奇異夸克

超流體只是中子星神秘之門背後等待著的奇異可能性之一。它們也可能是稀有“奇異夸克”的家園。

夸克有六種，或稱味道——上、下、粲、奇、頂和底。只有最輕的兩種，上夸克和下夸克，存在於原子中。其餘的味道都非常巨大且不穩定，因此它們通常只作為高能粒子碰撞的短暫碎片出現在原子撞擊器（如日內瓦附近 CERN 的大型強子對撞機）內部。但在中子星極其稠密的內部，中子內部的上夸克和下夸克有時可能會轉化為奇異夸克。（其他不尋常的味道——粲、頂和底——非常巨大，即使在那裡也可能不會形成。）如果奇異夸克出現並仍然與其他夸克結合，它們將構成稱為超子的突變中子。這些夸克也可能根本不包含在粒子中——它們可能會在一種夸克湯中自由漫遊。

這些可能性中的每一種都應該以可測量的方式改變中子星的大小。用阿祖曼尼安的話來說，核心內部完好無損的中子會“像彈珠一樣，形成堅硬、實心的核心”。實心核心會傾向於推擠外層，並增加整顆恆星的大小。另一方面，他說，如果中子溶解成夸克和膠子的混合物，它們將形成一顆“更柔軟、更易擠壓”且更小的恆星。阿祖曼尼安是 NICER 實驗的共同首席研究員和科學負責人，該實驗旨在確定這些替代方案中哪個是正確的：“NICER 的主要目標之一是測量[中子星]的質量和半徑，這將幫助我們挑選或排除某些緻密物質理論。”

NICER 是一個洗衣機大小的盒子，安裝在國際空間站的外部。它穩定地監測散佈在天空中的數十顆脈衝星，探測來自它們的 X 射線光子。透過測量光子的時間和能量，以及恆星引力場如何彎曲它們的光線，NICER 使科學家能夠計算一系列脈衝星的質量和半徑並進行比較。“如果 NICER 發現質量大致相同但半徑差異很大的恆星，那意味著有些奇怪的事情正在發生，”阿爾福德說，“某種新形式的物質，當它出現時，會使恆星縮小。”例如，當neutron分解成夸克和膠子時，可能會發生這種轉變。

測量中子星的大小是縮小中子星內部物質可能採取的形式範圍的有用方法。科學家曾經認為，任何給定中子星中一半的中子都會變成含有奇異夸克的超子；理論計算表明，這種富含超子的恆星質量不能超過太陽質量的 1.5 倍。然而，在 2010 年，由國家射電天文臺的保羅·德莫雷斯特領導的天文學家測量了一顆中子星的質量為太陽質量的 1.97 倍，這消除了許多關於中子星內部結構的理論。現在物理學家估計，超子在中子星中所佔比例不能超過 10%。

撞擊現場偵探

研究單箇中子星可以告訴我們很多資訊，但當兩個中子星猛烈撞擊在一起時，我們可以學到更多。多年來，望遠鏡探測到被稱為伽馬射線暴的光爆，研究人員懷疑這些光爆來自兩顆中子星的撞擊。在 2017 年 8 月引力波的探測中，天文學家看到了首次確認的中子星合併。

具體來說，在 2017 年 8 月 17 日，兩項實驗——雷射干涉引力波天文臺 LIGO（位於華盛頓州和路易斯安那州）和 Virgo（一個位於義大利比薩附近的歐洲專案）——同時探測到引力波，這些引力波是在兩顆中子星螺旋式地相互靠近併合並形成單顆中子星或黑洞時產生的。這不是首次探測到引力波，但之前的所有觀測都是由兩個黑洞的碰撞產生的。在此日期之前，科學家從未觀察到來自中子星的波，這也是望遠鏡首次響應引力波探測，並在同一時間在天空中的同一位置看到光。光和波共同提供了關於撞擊發生地點和方式的大量資訊，這被證明對中子星物理學是一個福音。“我當時非常震驚，”拉蒂默談到這次幸運的觀測時說。“我當時想，這真是太好了，難以置信。”

天體物理學家將這些波追溯到距離地球約 1.3 億光年的一對中子星。波的細節——它們的頻率和強度以及它們隨時間變化的模式——使研究人員能夠估計出每顆恆星在碰撞前的重量約為太陽質量的 1.4 倍，半徑在 11 到 12 公里之間。這些知識將有助於科學家制定理解中子星的基本描述符——它們的狀態方程。該方程描述了物質在不同壓力和溫度下將採取的密度，並且應適用於宇宙中的所有中子星。理論家已經提出了幾種可能的狀態方程公式，這些公式對應於中子星內部物質的不同結構，新的測量結果提供了一個機會來排除一些公式。例如，中子星半徑相對較小的發現令人驚訝。一些理論在試圖將這些緊湊的中子星和已知的重恆星（如 1.97 太陽質量的龐然大物）納入同一個基本狀態方程時遇到了困難。“這開始使我們的狀態方程在這些不同的觀測中穿針引線，”加州州立大學富勒頓分校的天體物理學家、LIGO 極端物質團隊的聯合負責人喬斯林·裡德說。“試圖製造緊湊的恆星，以及支援大質量恆星，對理論來說變得越來越具有挑戰性。這絕對很有趣，並且可能會變得更有趣。”

到目前為止，LIGO 和 Virgo 只看到過這一次中子星碰撞，但另一次這樣的觀測可能隨時到來。“我在這個領域工作了足夠長的時間，”裡德說，“從一個假設的時代過渡到現實真是太棒了：‘如果我們能看到引力波，那麼我們或許能夠做到這一點。’現在我們實際上有機會做到這一點，而且它還沒有過時。”

物質的極限

隨著時間的推移，隨著引力波探測器靈敏度的提高，回報可能會非常巨大。例如，測試中子星內部物質的一個方法是尋找其中心任何漩渦液體發出的引力波。如果液體的粘度非常低或沒有粘度——就像超流體一樣——它可能會開始以稱為 r 模式的模式流動，從而釋放引力波。“這些引力波將比合併產生的引力波弱得多，”阿爾福德說。“這是物質在靜靜地晃動，而不是被撕裂。”阿爾福德和他的合作者確定，目前正在執行的先進 LIGO 探測器將無法看到這些波，但未來 LIGO 的升級，以及計劃中的天文臺，如歐洲正在考慮的地面愛因斯坦望遠鏡，可能會看到。

破解中子星之謎將使我們瞭解幾乎難以理解的極端物質——一種與構成我們世界的原子截然不同的形態，它延伸了可能性的界限。它可能會將想象中的奇物（如晃動的夸克物質、超流體中子和古怪的超子星）變成現實。而理解中子星可能會做更多的事情：物理學家更深層次的目標是利用這些被擠壓的恆星來解決更大的未解之謎，例如支配核相互作用的規律——質子、中子、夸克和膠子之間複雜的舞蹈——以及最大的謎團——引力的本質。

中子星只是研究核力的途徑之一，世界各地的粒子加速器也在同時進行研究，這些粒子加速器就像顯微鏡一樣，可以窺視原子核內部。當更多的核問題得到解決時，科學家可以將他們的注意力轉向引力。“中子星是引力物理學和核物理學的混合體，”麻省理工學院的物理學家奧爾·亨說。“目前我們正在使用中子星作為實驗室來了解核物理學。但由於我們可以接觸到地球上的原子核，我們最終應該能夠充分約束問題的核方面。然後我們可以使用中子星來了解引力，這是物理學中最大的挑戰之一。”

目前對引力的理解——透過愛因斯坦的廣義相對論——與量子力學理論不相容。最終，其中一個理論必須讓步，而物理學家不知道會是哪個理論。“我們會到達那裡的，”亨說，“這是一個非常令人興奮的前景。”