中子星的内部是湿软的还是固体？

8月17日清晨，人类首次发现了两颗中子星——无生命物体——的稠密原子核碰撞所发出的引力波，就像穿过探测器的长雷。高级激光干涉引力波天文台(LIGO)的物理学家迫不及待地想破解时空振动。然而，所有的活动都是保密的，这些数据需要至少两个月的时间来收集、整理和分析，然后作为论文发表。17日下午，LIGO合作组织的两位成员乔斯林·里德和卡特琳娜·查齐奥安诺计划讨论在深不可测的条件下中子星的变化，主题是“中子星合并后会是什么样子”。

物理学家花了几十年研究中子星是否包含新物质。他们发现质子和中子也包含夸克和其他奇怪粒子之间的相互作用。为了回答这个问题，我们还需要解释一些关于超新星和宇宙中重元素(原子序数较大的元素，如金)产生的天文现象。

除了利用LIGO观测引力波，天体物理学家还试图探索探测中子星的新方法，推断中子星的内部也是一项挑战。但是这个引力波信号和类似的信号——两颗中子星通过引力围绕它们的质心旋转，然后相互碰撞，为这个问题提供了一个全新的解决方案。

奇怪的物质

中子星是大质量恒星在由于重力坍缩导致超新星爆发后可能成为的少数终点之一。质量达不到黑洞形成点的恒星会在生命结束时坍缩，这是一种介于白矮星和黑洞之间的恒星。中子星非常密集。如果它们的质量和太阳一样，它们只占据一个城市的空间。

一个原子由一个致密的原子核和围绕在原子核周围的许多带负电的电子组成。在晶体中，原子的电子壳层重叠，电子不再完全局限于一个原子，而是可以从一个原子转移到相邻的原子。电子可以在整个晶体中移动，就好像形成了一片电子海，也称为电子的共同运动。在原子核内，质子被转化成中子。

但是理论家们争论当密度比正常原子核高两到三倍时会发生什么。从核物理的角度来看，中子星只能是质子和中子——统称为原子核之间的变化。石溪大学的天体物理学家詹姆斯·拉蒂默说:“一切都可以用核变化来解释。”其他天体物理学家对此提出了质疑。核子不是基本粒子，它们由三个夸克组成。在巨大的压力下，这些夸克可能形成一种新的夸克物质状态。波兰弗罗茨瓦夫大学的物理学家大卫·布拉施克说:“核子不是台球，而是有点像樱桃。你可以把它们压缩到一定的限度内，超过这个限度，原子核就会分裂。”

长期以来，理论家们一直在猜测中子星中是否会出现其他奇怪的粒子。中子间挤压释放的能量可能产生更大的粒子，不仅包括上夸克和下夸克——只有质子和中子，还包括其他奇怪的夸克。

然而，这个领域已经停滞了几十年。理论家们对中子星内部可能会发生什么做了很多推测，但是中子星周围的环境对地球人来说是极其陌生的，在地球上的实验也不能满足适当的条件。即使是几十年前的夸克和原子核理论，量子色动力学(QCD)，也不能提供准确的答案。量子色动力学的关联计算很难研究，需要在相对寒冷和稠密的环境中进行。甚至计算机也不能计算结果。

研究人员*过度简化问题，走一些捷径，而天文学家的唯一选择是研究中子星本身。不幸的是，中子星如此遥远，除了最基本的体积属性之外，很难测量地球上的其他信息。更糟糕的是，中子星的乐趣还没有浮出水面。然而，阿尔福德说:“在这个实验室进行的研究非常有趣，但我们所能做的只是等待观察的结果。”随着新一轮实验的进行，理论家们可能很快就会得到他们的结果。

又湿又软？或者是固体？

无论中子星的核心是什么，是一个松散的夸克，一个介子凝聚体，一个超子，还是一个普通的原子核，这个原子核所能承受的重力必须超过太阳的重力，否则，恒星将会坍缩成一个黑洞。然而，在重力的作用下，不同的物质会被压缩到不同的程度，这也决定了给定物理尺度下恒星的重量。天文学家现在研究的中子星的组成有助于理解中子星被挤压在里面时是湿的还是固体。同时，他们还需要测量各种中子星的质量和半径。

就质量而言，最容易称重的中子星是脉冲星——一种快速旋转的中子星，每转一周可以扫过地球一次。在已知的2500颗脉冲星中，大约10%属于双星系统。当这些脉冲星和伴星一起运动时，它们不断向地球发射的脉冲也会发生变化，因此研究人员可以知道脉冲星的运动和它们在轨道中的位置信息。在轨道上，天文学家还可以利用开普勒定律和爱因斯坦广义相对论的附加规则来解决这个双星系统的质量问题。

目前，最大的突破是发现了一颗巨大的中子星。2010年，弗吉尼亚国家射电天文台的斯科特·兰森领导的一个研究小组宣布，他们测量到了一颗脉冲星，其质量约为两个太阳质量，比过去观测到的要大。有些人怀疑这些中子星是否真的存在，这影响了我们对核行为的理解。

根据一些中微子恒星模型，中子星应该在强大的引力压缩下坍缩成黑洞。这对介子凝聚体来说是个坏消息，因为它会特别潮湿和柔软。与此同时，这对某些夸克物质和超重粒子来说并不是好兆头。2013年发现的另一颗中子星也证实了这一测量结果。

但是半径是一个更困难的问题。像亚利桑那大学的菲尔·奥泽尔这样的天体物理学家已经设计出各种方法，通过观察中子星表面发出的X射线来计算中子星的物理尺寸。一种方法是通过观察整个X射线发射来估计中子星表面的温度，然后计算发出这种X射线的中子星的大小。或者可以在中子星表面发现热点。中子星的强大引力场会改变这些热点的光脉冲。一旦知道了中子星的引力场，研究人员就可以计算出它的质量和半径。

在表面上，这些X射线测量显示，虽然中子星质量很大，但据奥泽尔说，它们只有20到22公里宽。她说中子星的小半径是因为里面有相互作用的夸克。如果它只由核子组成，中子星的半径会更大。

在许多批评家中，拉蒂默对测量x光的假设持保留态度，他认为这种假设是有缺陷的，会导致获得的半径小于实际半径。

当然，每个人都希望这个问题能够最终得到解决。今年6月，SpaceX第11次向国际空间站交付了一个372公斤重的原子核。它包含了一个名为中子星内部合成探测器的X射线望远镜，通过观察中子星表面的热点来研究中子星的大小。这一次，包括脉冲星半径测量在内的中子星应该能够获得更好的数据。

布拉施克对此表示了极大的期望。测量中子星的质量和半径非常重要。这个结果可能推翻许多内部结构理论。只有那些能够获得适当大小和重量的中子星的理论才能被保留下来。

现在，LIGO的加入更有利于数据测量。同样合理的是，8月17日发现的信号被视为两个黑洞的合并，而不是两颗中子星的碰撞。LIGO之前的信号都来自黑洞。从计算的角度来看，研究人员对这个方面很熟悉，所以它更容易处理。但是这个信号涉及到更轻的物体，并且比黑洞合并需要更长的时间。瑞德说:“这显然和我们以前的计算系统不一样。”

当两个黑洞环绕在一起时，它们以引力波的形式向空气中释放轨道能量。然而，在这90秒LIGO信号的最后一秒钟左右，每个物体都做了黑洞做不到的事情——变形。这两个人开始拉伸和挤压彼此的物质，产生潮汐，从运动轨道吸取能量，促使他们以比其他方式更快的速度碰撞。

经过几个月的计算机模拟，LIGO的瑞德团队发布了他们对这些潮汐对信号影响的首次测量。到目前为止，该小组只能设定一个上限，这意味着潮汐的影响是微弱的，甚至几乎是微不足道的。另一方面，这也意味着中子星体积非常小，它们的物质紧紧围绕着中心，所以它们对潮汐的冲击更有抵抗力。瑞德说:“我认为第一次引力波测量确实在某种意义上证实了x光测量的解释。”她还预测说，对这种信号进行更复杂的建模可能会导致更准确的估计。

诺布尔和LIGO都为中子星内部的物质提供了新的研究方法。许多专家乐观地认为，在未来几年，这些物质如何抵抗重力将会有一个明确的答案。然而，像阿尔福德这样的理论家警告说，仅仅测量中子星内部物质的湿度和柔软度并不能完全揭示它是什么。但是，其他功能可能会有所帮助。例如，通过持续观察中子星的冷却速度，天体物理学家可以推测它们内部的粒子以及它们辐射能量的能力。或者，观察中子星的旋转如何随着时间的推移而变慢，有助于确定它的内部粘度。

阿尔福德认为，研究致密物质何时经历相变以及它们最终会变成什么也是一个有价值的目标。"理解不同条件下物质的性质确实有点像物理学."

蝌蚪工作人员编自《连线》，译者孙慧敏，转载必须授权