夸克星真的存在吗？在过去的40年中，确认中子星内部存在夸克核心一直是中子星物理最重要的目标之一。图片：Jyrki Hokkanen, CSC – IT Center for Science
在过去的40年中，科学家一直在探索是否存在夸克星或者中子星内部存在夸克核心。终于，芬兰科学家找到了有力的证据，证明了最大的中子星核心中存在奇异的夸克物质。这也许标志着天体物理学的黄金时代的来临。
我们周围的所有正常物质都是由原子组成的，原子的原子核包括质子和中子，被带负电的电子包围。
原子核模型
夸克（quark）是一种基本粒子，是构成物质的基本单元。夸克通过胶子结合在一起，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的就是质子和中子。
由二个上夸克及一个下夸克所构成的质子
宇宙诞生初期，物质是一锅由自由的夸克和胶子组成的浓稠的“汤”，这是夸克胶子等离子体，俗称“夸克汤”。
夸克和胶子组成强子后，才发展出现在的宇宙。科学家发现从强子到夸克胶子等离子体的相变温度约为175百万电子伏特（相当于2万亿摄氏度）。
夸克星是一种假想的星体。当恒星演化到生命的末期，会在自身引力的影响下发生坍缩，当恒星质量低于太阳质量的1.44倍时会产生白矮星，高于1.44倍时引力将物质中的电子和质子挤压到一起形成中子星，如果恒星质量超过太阳的质量的3.2倍时，将产生黑洞。
中子星和夸克星
物理学家猜测较大质量的中子星可能含有夸克核心，甚至整个星体转化成夸克星。在更大的压力下，中子崩溃分离成为夸克，之后进一步转化为奇夸克，产生一种更加致密的物质类型。这时的星体就是由奇夸克紧密结合在一起所构成的“夸克星”，整个星体可以看成是一颗巨大的中子。
简单来说，白矮星是密集的原子核，中子星可以看作是一个巨大的原子核（中子团），夸克星是一个巨大的中子，黑洞则是理论上的奇点。从重量和密度来看，夸克星是介于黑洞和中子星之间。
大约40年前首次提出这种可能性以来，一直是物理学的最重要目标之一。
赫尔辛基大学的科学家认为找到了答案。新的结果发表在《自然物理学》上，题目为：Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars。
夸克核存在的可能性很大
即使是在超级计算机上进行大规模的模拟，也无法确定中子星内部核心的状态，不过芬兰科学家提出了一种新的方法。他们认为，通过将粒子物理学的最新研究数据与中子星碰撞产生的引力波的测量结果相结合，有可能推断出中子星内部物质的特征。
致密的中子星的特性可能是极端夸张的，比如声音的速度可能接近光速，科学家根据声速的不同，确定中子星内部存在不同的物质相，这极有可能是夸克物质。
中子星内部物质状态与声速相关
根据这项研究，存在于大质量稳定中子星核心内的物质与夸克物质的相似性要比与普通核物质的相似性大得多。通过计算，星体中夸克物质的核心直径可能超过整个中子星直径的一半。
科学家几乎可以肯定发现了夸克物质，但是，中子星的确切结构仍然存在许多不确定性，降低不确定性仍需要更多的观测和计算。
引力波观测确定半径
这一新发现受益于天体物理学的两项最新成果：中子星合并产生的引力波的测量以及对质量接近两个太阳质量的大中子星的探测。
引力波探测
2017年秋天，激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座干涉仪（Virgo Interferometer）首次探测到了两个合并的中子星产生的引力波。观测结果后来被用来推导出碰撞中子星半径的上限，结果是大约13公里。
LIGO汉福德站点
Virgo站点
大多数质量已知的中子星质量都处于1到1.7个太阳质量范围内，但是在过去的十年里，发现了3颗中子星，它们的质量可能达到甚至略微超过两个太阳质量。
进一步观察
有了中子星半径和质量的信息，科学家认为中子星物质性质的不确定性大大减小了。这也使科学家能够对中子星物质状态进行准确的计算。
自2017年秋季以来，LIGO和Virgo观测到更多新的中子星合并。随着观测信息的积累，对中子星性质的描述将更加准确。这也许标志着天体物理学的黄金时代的来临。
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