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浩瀚宇宙中寻觅夸克星

在物理学中,常常有理论先于发现的情况。1916年,爱因斯坦提出“引力波”的概念,直到100年后,人类才真正探测到引力波。而有一些概念就没有引力波那么幸运了,迄今为止仍然只是理论,夸克星就是其中之一。

20世纪60年代,有科学家提出“夸克星”的概念,到目前为止,却仍然没人能在浩瀚的宇宙中证实夸克星的存在。但科学家没有放弃,一直试图在茫茫宇宙中找到它。

想要找到夸克星,首先要了解什么是夸克星。

夸克星是什么?

事情要从恒星演化说起。恒星在整个生命过程中一直在发光发热,燃烧着自身的燃料,但燃料总有耗尽的一天。当恒星的燃料耗尽,它便开始变冷收缩。而恒星最终会收缩到什么程度,取决于这颗恒星的质量,在物理学上,一般以太阳的质量来衡量其他恒星的质量。

如果一颗恒星燃烧后的最终质量小于1.4个太阳质量,那么它最终会停止收缩,变成白矮星。我们在夜晚看到的最明亮的一颗恒星——天狼星的附近就有一颗白矮星,它是科学家最早发现的白矮星。为什么白矮星最终会停止坍缩呢?原因是根据泡利不相容原理,白矮星内部的电子之间存在排斥,与引起坍缩的引力相抗衡,使之停止坍缩。

当一个4~8个太阳质量的恒星燃烧殆尽,只剩下个1.4~2倍左右太阳质量的星球,就会形成另一种恒星的终态——中子星。中子星的半径只有10千米左右,而太阳的半径有69.55万千米,可以想象中子星的密度是非常大的,有多大呢?一汤匙的中子星物质在地球上重10亿吨。中子星没有继续坍塌的原因是其内部的中子之间的排斥抵挡住了引起坍缩的引力。中子星的成功观测也没有那么顺利,第二次世界大战前,有科学家预言了中子星的存在,在30年后,它才第一次被探测到。

宇宙中有没有更大的恒星呢?答案是肯定的。超大质量的恒星最终会坍缩成黑洞。

但有科学家认为理论上,在中子星与黑洞之间还存在某种恒星的终态——夸克星。夸克星的形成是因为这种恒星太大了,在燃烧殆尽后,还有2倍以上的太阳质量。由于质量大,引力就大,电子之间的排斥力和中子之间的排斥力都无法克服引力,引力使中子解体为更小的粒子——夸克(1个中子包含1个上夸克和2个下夸克)。夸克之间同样存在排斥,它们之间的排斥可能最终与引力相抗衡,阻止恒星继续坍塌成为黑洞,形成夸克星。

那么,夸克星长什么样?科学家推测,夸克星有一层外壳,很可能由中子物质组成,没有内核,且夸克星内部的夸克是自由移动的,不像在中子星中,夸克被束缚在一起形成中子。在大小上,夸克星可能比中子星稍小。然而,迄今为止,人类还没有发现夸克星。

为什么夸克星如此罕见?

寻觅夸克星困难重重

形成夸克星的条件是苛刻的,要求恒星的质量在一定的范围内(虽然这个范围目前还没能确定),既不能形成中子星,也不能坍缩为黑洞。夸克星可能是不稳定的。夸克从不单独出现,至少到目前为止,科学家还没有发现过单独存在的夸克,单夸克很有可能并不存在,它们一定要“抱团”形成其他诸如中子、质子的粒子,因此夸克星很可能不能长时间稳定存在。在恒星坍缩的过程中,夸克星可能曾出现过,但由于它很不稳定,不能长时间保持,也许在我们还没来得及探测到它时就已经继续坍缩为黑洞了。

另外,夸克星的“外貌”也是找到它的阻碍之一。从表面上看,夸克星与中子星几乎没什么差别,两者同样发光发热且致密。有科学家估计,在银河系中应该有将近10亿颗中子星,说不定其中就藏有夸克星,而目前科学家所找到的银河系中子星只有不到2000颗,继续探寻下去,也许能邂逅夸克星。

目前对夸克物质物理性质的不够了解也是一大障碍。除此之外,在实验室里模拟夸克星形成过程几乎不可能,地球上无法满足夸克星形成所需的条件,夸克星形成所需要的温度和密度是目前实验室中所能提供的温度、密度的10亿倍。科学家另辟蹊径,尝试用粒子对撞机制造夸克物质,目前最大的成绩是成功制造出了极热的夸克-胶子等离子体,但夸克-胶子等离子体只出现在碰撞的瞬间,也许是几微秒,然后迅速冷却转化为其他物质粒子。

虽然困难重重,但岂能轻易放弃。

寻星之路漫漫

寻找夸克星很大程度上要依赖于对中子星的了解。虽然二者在外形上十分相似,但总存在些许差别。科学家认为,夸克星的旋转方式应该与中子星不同。另外,夸克星的密度应该比中子星大。在恒星演化过程中,某些恒星在演化末期时会来一场轰轰烈烈的爆炸,发出极亮的光,可以照亮它所在的整个星系,这种爆炸被称为超新星爆炸。有时候,超新星爆炸会形成中子星或黑洞。如果超新星爆炸形成夸克星,则其发出的亮度应该是一般的超新星爆炸的亮度的100倍左右。根据这些特性,也许能够发现隐藏的夸克星。

当然,对夸克星的了解对于寻找夸克星是十分重要的。有的科学家在研究极高密度下物质的变化,借此了解夸克星等致密星中物质的性质;有的科学家借大型强子对撞机了解中子星的性质以进一步确定夸克星性质。

同时,夸克星的搜寻还得寄希望于太空中的探测器。2017年6月,美国宇航局向国际空间站发射了“中子星内部成分探测器”,用于研究中子星。借助该探测器,科学家可以研究中子星的光谱,确定中子星的质量半径比。对中子星的进一步了解也许能够指明寻找夸克星的方向。

另一个探测计划将于2025年启动,是中国的“增强型X射线时变与偏振天文台”研究计划,它是专门用来观察X射线波段电磁波的空间天文台。借助这个天文台,科学家可以探测中子星、黑洞,也许还有夸克星的X射线辐射随时间变化的变化,并探测在强引力场、强磁场、高密度条件下,天体的基本物理规律。这项计划将致力于黑洞、中子星、夸克星的观测。

人类能找到夸克星吗?不确定。如果它真的存在,我们应该能找到。但需要耐心,引力波从提出到成功探测到经历了一整个世纪,再等等,说不定下一个世纪,夸克星就不再只是理论中的一个概念。

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