中子星是理解物质和引力超致密态的关键
中子星是理解物质和引力超致密态的关键
中子星是宇宙中最神秘的天体之一，其密度之高令人难以置信——一块乒乓球大小的中子星物质重量可达十亿吨。这些天体不仅是理解物质在极端条件下的行为的关键，也是探索引力本质的重要窗口。
当一颗几个太阳质量大小的恒星在超新星爆炸中死亡时，它会变成一颗大小只有10到20公里的超密中子星。这颗新兴恒星的名字来源于重力作用下质子和电子合并形成中子的过程。然而，由于天文学家从未近距离观察过中子星，且世界上没有实验室能够制造出如此巨大的密度，因此其内部结构一直是太空中的最大谜团之一。
在天体物理学中，关于中子星深处发生的事情有几种理论。一种观点认为它们主要由中子和少量质子组成；另一种假设这些基本粒子在恒星内部衰变成夸克和胶子；还有一种假设认为在这些恒星内部可能存在由较重的奇异夸克形成的超子组成的奇异物质。
尽管研究困难重重，科学家们仍取得了一些进展。2017年8月，研究人员首次探测到两颗中子星碰撞引起的引力波，这些扰动包含有关灾难发生前的恒星质量和大小的信息。同年，国际空间站对脉冲星（快速旋转的中子星）进行了观测，这些物体的磁场非常强，如果一个人在20公里之外，那么他血红蛋白中的所有铁都会消失在中子星中。
目前，物理学家认为中子星的质量可以从一到两个半太阳质量不等。中子星至少包含三层：外层主要由氢和氦组成；第二层位于外地壳，一公里深，由排列成晶体结构的原子核以及电子和中子组成；第三层，即内层，恒星的大部分质量集中在其中，在很大程度上是神秘的。当我们向恒星中心移动时，中子数量会增加。在内核中，出现了一种假设的状态，其中中子叠加并被压缩，变成由夸克组成的液体。一种科学理论认为，夸克形成一种没有粘度的超流液体，一旦开始运动，就永远不会停止。
墨西哥国立大学的科学家研究了仙后座脉冲星的X射线发射后，证实了这一假设。超流体奇异夸克只是中子星神秘之门后面等待着我们的奇异可能性之一。它们也有可能是罕见的“奇异夸克”的家园。
研究中子星性质的一种特殊方法是研究与其碰撞相关的灾难性过程。这些灾难伴随着伽马辐射的爆发和引力波的出现，引力波是一种时空涟漪。2017年8月，发现了两颗中子星碰撞产生的引力波。两个引力干涉天文台：其中之一是位于华盛顿州和路易斯安那州的LIGO，第二个是位于意大利比萨附近的Virgo，同时记录了两颗螺旋运动中子星合并时产生的引力波。在此之前，科学家从未观察到中子星碰撞引起的引力扰动。之前对引力波的探测只能从黑洞碰撞中观察到。此外，随着引力扰动，望远镜同时记录了从天空中同一位置发出的光。光和引力波带回了有关距离地球1.3亿光年的位置以及灾难如何发生的大量信息。波的振幅和频率可以对碰撞物体进行估计。每颗卫星的重量约为1.4个太阳质量，撞击前半径为11至12公里。改进引力波探测器最终将使确定中子星内部的物质成为可能。引力波的性质可能会根据其深处物质的状态而有所不同。如果物质的粘度低或无粘度，正如奥尔福德指出的那样：“这些引力波将比合并时弱得多。这是物质静静地飞溅，而不是撕裂。”目前，即使是先进的LIGO探测器也无法看到这些波。尽管如此，人们还是把希望寄托在欧洲地面爱因斯坦望远镜上。
中子星与构成宏观宇宙的原子完全不同，解开中子星状态的秘密，扩大了我们知识的边界。这使得将诸如晃动夸克物质、超流中子和高超子星等稀奇古怪的理论设计变为现实成为可能。研究中子星将使我们能够更好地理解核相互作用的本质并解决最大的谜团——引力的本质。中子星是核物理学和引力物理学的混合体。目前，引力是由爱因斯坦的相对论描述的，但众所周知，它与量子理论相矛盾。科学的发展将导致这两种理论中的一种发生改变，或者出现一种新的理论来消除它们之间的矛盾。