08.28 浩瀚宇宙中尋覓夸克星

在物理學中,常常有理論先於發現的情況。1916年,愛因斯坦提出“引力波”的概念,直到100年後,人類才真正探測到引力波。而有一些概念就沒有引力波那麼幸運了,迄今為止仍然只是理論,夸克星就是其中之一。

20世紀60年代,有科學家提出“夸克星”的概念,到目前為止,卻仍然沒人能在浩瀚的宇宙中證實夸克星的存在。但科學家沒有放棄,一直試圖在茫茫宇宙中找到它。

想要找到夸克星,首先要了解什麼是夸克星。

浩瀚宇宙中寻觅夸克星

夸克星是什麼?

事情要從恆星演化說起。恆星在整個生命過程中一直在發光發熱,燃燒著自身的燃料,但燃料總有耗盡的一天。當恆星的燃料耗盡,它便開始變冷收縮。而恆星最終會收縮到什麼程度,取決於這顆恆星的質量,在物理學上,一般以太陽的質量來衡量其他恆星的質量。

如果一顆恆星燃燒後的最終質量小於1.4個太陽質量,那麼它最終會停止收縮,變成白矮星。我們在夜晚看到的最明亮的一顆恆星——天狼星的附近就有一顆白矮星,它是科學家最早發現的白矮星。為什麼白矮星最終會停止坍縮呢?原因是根據泡利不相容原理,白矮星內部的電子之間存在排斥,與引起坍縮的引力相抗衡,使之停止坍縮。

浩瀚宇宙中寻觅夸克星

當一個4~8個太陽質量的恆星燃燒殆盡,只剩下個1.4~2倍左右太陽質量的星球,就會形成另一種恆星的終態——中子星。中子星的半徑只有10千米左右,而太陽的半徑有69.55萬千米,可以想象中子星的密度是非常大的,有多大呢?一湯匙的中子星物質在地球上重10億噸。中子星沒有繼續坍塌的原因是其內部的中子之間的排斥抵擋住了引起坍縮的引力。中子星的成功觀測也沒有那麼順利,第二次世界大戰前,有科學家預言了中子星的存在,在30年後,它才第一次被探測到。

宇宙中有沒有更大的恆星呢?答案是肯定的。超大質量的恆星最終會坍縮成黑洞。

那麼,夸克星長什麼樣?科學家推測,夸克星有一層外殼,很可能由中子物質組成,沒有內核,且夸克星內部的夸克是自由移動的,不像在中子星中,夸克被束縛在一起形成中子。在大小上,夸克星可能比中子星稍小。然而,迄今為止,人類還沒有發現夸克星。

為什麼夸克星如此罕見?

尋覓夸克星困難重重形成夸克星的條件是苛刻的,要求恆星的質量在一定的範圍內(雖然這個範圍目前還沒能確定),既不能形成中子星,也不能坍縮為黑洞。夸克星可能是不穩定的。夸克從不單獨出現,至少到目前為止,科學家還沒有發現過單獨存在的夸克,單夸克很有可能並不存在,它們一定要“抱團”形成其他諸如中子、質子的粒子,因此夸克星很可能不能長時間穩定存在。在恆星坍縮的過程中,夸克星可能曾出現過,但由於它很不穩定,不能長時間保持,也許在我們還沒來得及探測到它時就已經繼續坍縮為黑洞了。

浩瀚宇宙中寻觅夸克星

另外,夸克星的“外貌”也是找到它的阻礙之一。從表面上看,夸克星與中子星幾乎沒什麼差別,兩者同樣發光發熱且緻密。有科學家估計,在銀河系中應該有將近10億顆中子星,說不定其中就藏有夸克星,而目前科學家所找到的銀河系中子星只有不到2000顆,繼續探尋下去,也許能邂逅夸克星。

目前對夸克物質物理性質的不夠了解也是一大障礙。除此之外,在實驗室裡模擬夸克星形成過程幾乎不可能,地球上無法滿足夸克星形成所需的條件,夸克星形成所需要的溫度和密度是目前實驗室中所能提供的溫度、密度的10億倍。科學家另闢蹊徑,嘗試用粒子對撞機制造夸克物質,目前最大的成績是成功製造出了極熱的夸克-膠子等離子體,但夸克-膠子等離子體只出現在碰撞的瞬間,也許是幾微秒,然後迅速冷卻轉化為其他物質粒子。雖然困難重重,但豈能輕易放棄。

尋星之路漫漫

尋找夸克星很大程度上要依賴於對中子星的瞭解。雖然二者在外形上十分相似,但總存在些許差別。科學家認為,夸克星的旋轉方式應該與中子星不同。另外,夸克星的密度應該比中子星大。在恆星演化過程中,某些恆星在演化末期時會來一場轟轟烈烈的爆炸,發出極亮的光,可以照亮它所在的整個星系,這種爆炸被稱為超新星爆炸。有時候,超新星爆炸會形成中子星或黑洞。如果超新星爆炸形成夸克星,則其發出的亮度應該是一般的超新星爆炸的亮度的100倍左右。根據這些特性,也許能夠發現隱藏的夸克星。

浩瀚宇宙中寻觅夸克星

當然,對夸克星的瞭解對於尋找夸克星是十分重要的。有的科學家在研究極高密度下物質的變化,藉此瞭解夸克星等緻密星中物質的性質;有的科學家借大型強子對撞機瞭解中子星的性質以進一步確定夸克星性質。

同時,夸克星的搜尋還得寄希望於太空中的探測器。2017年6月,美國宇航局向國際空間站發射了“中子星內部成分探測器”,用於研究中子星。藉助該探測器,科學家可以研究中子星的光譜,確定中子星的質量半徑比。對中子星的進一步瞭解也許能夠指明尋找夸克星的方向。

另一個探測計劃將於2025年啟動,是中國的“增強型X射線時變與偏振天文臺”研究計劃,它是專門用來觀察X射線波段電磁波的空間天文臺。藉助這個天文臺,科學家可以探測中子星、黑洞,也許還有夸克星的X射線輻射隨時間變化的變化,並探測在強引力場、強磁場、高密度條件下,天體的基本物理規律。這項計劃將致力於黑洞、中子星、夸克星的觀測。

人類能找到夸克星嗎?不確定。如果它真的存在,我們應該能找到。但需要耐心,引力波從提出到成功探測到經歷了一整個世紀,再等等,說不定下一個世紀,夸克星就不再只是理論中的一個概念。


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