自從中子星被發現以來，研究人員一直在利用它們 необычные 性質來探索我們的宇宙。中子星是恆星爆炸後的超高密度殘餘物，其質量大於太陽，卻被壓縮成一個像舊金山一樣寬的球體。一杯這種恆星物質的重量大約相當於珠穆朗瑪峰。
這些奇異的天體可以提醒我們注意時空結構中遙遠的擾動，教會我們關於元素的形成，並揭示引力和粒子物理學在宇宙中一些最極端條件下如何運作的秘密。
巴塞羅那空間科學研究所的天體物理學家瓦妮莎·格拉伯說：“它們是天文學和天體物理學中許多未解問題的核心。”
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但是，為了準確解釋中子星的一些訊號，研究人員必須首先了解它們內部發生了什麼。他們有自己的猜測，但直接在中子星上進行實驗是不可能的。因此，科學家需要另一種方法來檢驗他們的理論。如此超高密度物體中物質的行為非常複雜，即使計算機模擬也無法勝任這項任務。但是研究人員認為他們可能已經找到了解決方案：地球上的類似物。
儘管年輕的中子星內部可能達到數百萬度的高溫，但按照一個重要的能量衡量標準，中子被認為是“冷的”。物理學家認為，這是一個他們可以利用來研究中子星內部運作的特徵。研究人員沒有仰望天空，而是正在窺視地球實驗室中創造的超冷原子雲。這可能有助於他們最終回答一些關於這些神秘物體的長期存在的問題。
太空奇物
中子星的存在最初是在 1934 年提出的，即在中子本身被發現兩年後，當時天文學家沃爾特·巴德和弗裡茨·茲威基想知道，超新星爆炸後是否會留下完全由中子組成的天體。儘管他們沒有完全弄清所有細節，但他們的一般想法現在已被廣泛接受。
恆星透過將較輕原子的原子核聚變成較重原子的原子核來為自身提供能量。但是，當恆星耗盡這些較輕的原子時，核聚變就會停止，並且不再有向外的壓力來對抗向內的引力。核心坍塌，恆星的外層向內衝去。當這一層撞擊到緻密的核心時，它會反彈並向外爆炸，產生超新星。之後留下的緻密核心就是中子星。
直到 20 世紀 60 年代，茲威基和巴德假設的中子星才最終被探測到。射電天文學家喬斯林·貝爾·伯內爾在劍橋大學擔任研究生時，注意到來自太空的奇怪的、有規律脈衝的無線電波訊號。她探測到以前從未見過的東西：一種特殊型別的中子星，稱為脈衝星，它像燈塔一樣，以規則的間隔閃爍輻射束。（她的導師，連同天文臺主任——但不包括貝爾·伯內爾——後來因這項發現獲得了諾貝爾獎。）
從那時起，已經探測到數千顆中子星。作為宇宙中最緻密、壓力最高的物體之一，中子星可能有助於我們瞭解物質在極高密度下會發生什麼。瞭解它們的結構以及構成它們的中子物質的行為對物理學家至關重要。
科學家們已經知道，構成中子星的中子、質子和其他亞原子粒子根據它們在恆星中的位置以不同的方式排列。在某些部分，它們像冰塊中的水分子一樣剛性地堆積在一起。在另一些部分，它們像無摩擦的流體一樣流動和旋轉。但是，物理學家不確定轉變發生的確切位置以及不同物相的物質如何表現。
一顆由核火球誕生的超高密度恆星，表面上似乎與稀薄的超冷粒子云幾乎沒有什麼共同之處。但它們至少可以共享一個有用的特徵：它們都低於一個稱為費米溫度的閾值，該閾值取決於——並且是根據——每個系統由什麼物質製成的來計算的。遠高於此溫度的系統在很大程度上將根據經典物理定律執行；如果它遠低於此溫度，則其行為將受量子力學支配。哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所的理論物理學家克里斯托弗·佩西克說，某些超冷氣體和中子星物質都可能遠低於其費米溫度，因此可以以類似的方式發揮作用，他也是 1975 年核科學年度評論中早期中子星概述的合著者。
低於其費米溫度的物質可以遵守非常普遍的定律。這種普遍性意味著，雖然我們無法輕易獲得數百萬度的中子星物質，但我們可以透過實驗地球實驗室真空室中可以建立和操縱的超冷氣體來了解其某些行為，紐約州立大學石溪分校的理論天體物理學家詹姆斯·拉蒂默說，他是 2012 年核與粒子科學年度評論中核物質科學綜述的作者。
拉蒂默特別感興趣的是一種稱為統一氣體的理論狀態。當氣體的每個粒子的影響範圍變得無限大時，氣體就是統一的，這意味著無論它們相距多遠，它們都會相互影響。這在現實中是不可能實現的，但超冷原子雲可以非常接近——中子星內部的物質也可以。“它類似於統一氣體，”拉蒂默說，“但它不是完美的統一氣體。”
迴歸地球
長期以來，氣體的壓力與其密度之間的確切關係太複雜而無法準確計算。但是，當實驗物理學家開發出控制冷原子雲並將其調整到非常非常接近統一氣體的能力時，這為確定這種氣體的特性開闢了一條新途徑：只需直接測量它，而不是努力在計算機上處理笨拙的數學運算。
這些超冷原子雲實際上比中子星物質更接近統一氣體，因此這種類比並不完美。但它足夠接近，以至於拉蒂默已經能夠從冷原子雲中獲取幾乎統一氣體的測量值，並將其應用於中子物質，以改進一些描述中子星內部運作的理論模型。冷原子實驗可以幫助科學家發展關於某些無法解釋的中子星現象中可能發揮作用的物理學的理論。
特別是，格拉伯和其他科學家希望找到有關最大謎團之一——脈衝星故障的線索。通常，脈衝星“時鐘”的規則計時非常可靠，以至於其精度可以與原子鐘相媲美。但並非總是如此：有時，脈衝星的自轉速率會突然增加，從而導致故障。這種額外的動力來自哪裡尚不清楚。答案在於物質在中子星內部如何移動。
冷氣體和中子星某些部分的中子物質都是超流體——粒子在沒有任何摩擦的情況下流動。當超流體旋轉時，會產生小漩渦或渦流。這些渦流如何在旋轉的中子星內部移動並相互作用以及與其他結構相互作用仍然是一個懸而未決的問題。“它可能不是這種漂亮的、規則的渦流晶格，”普爾曼華盛頓州立大學研究理論物理學的邁克爾·麥克尼爾·福布斯說。“它可能是整個恆星中一些渦流的纏結。我們不知道。”
福布斯和其他人懷疑，他們在脈衝星自轉中觀察到的故障與這些渦流如何“釘扎”到恆星中的結構有關。通常，單個渦流在流體中自由漂移。但是，當流體包含一個剛性堆積的物質區域，該區域阻礙了渦流的運動時，渦流將停止，有時甚至將其旋轉臂纏繞在剛性物體周圍，並將其中心定位在剛性物體的頂部。
渦流傾向於以這種方式保持釘扎，但有時它們可以解除釘扎並遠離物體遷移。當這種情況發生時，流體的流動會對物體施加扭矩。如果成千上萬的渦流同時從中子星的各種結構中解除釘扎，它們可以突然加速恆星的自轉。福布斯解釋瞭如此多的渦流如何可能同時解除釘扎：“就像將沙子倒在沙堆上一樣——在……發生雪崩之前，什麼都不會真正發生。”
但是，經典的計算機幾乎不可能精確計算出如此多渦流同時舞蹈的所有複雜性。因此，福布斯計劃與可以冷原子雲中形成這些渦流的實驗小組合作，看看會發生什麼。他的想法是使用“冷原子實驗作為模擬量子計算機，用於計算我們無法以任何其他方式完成的事情”，他說。
研究人員正忙於研究他們在實驗室中經常看到的其他超冷現象如何激發對中子星行為的新研究方向。最近，格拉伯和她的同事概述了如此多的可能性，以至於他們需要 125 頁才能全部發表。2019 年，來自世界各地的數十名天文學家、核物理學家和超冷原子物理學家聚集在一起，討論了他們領域之間更多令人驚訝的聯絡。研究人員才剛剛開始測試這些頭腦風暴產生的一些想法。
佩西克說，他們也正在從恆星本身學到更多。“這是一個令人興奮的領域，因為目前有很多觀測結果正在湧入。”
藉助更好的望遠鏡和新方法來收集關於中子星深不可測的內部性質的資訊，科學家們可以希望找出冷原子和中子星之間的這種類比可以走多遠。
本文最初發表在Knowable Magazine上，Knowable Magazine是 Annual Reviews 旗下的獨立新聞事業。註冊新聞通訊。