中子星內部是否稠密到突破夸克禁閉?可能未達奇異夸克核心臨界點

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 22 日 8:53 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


當一顆垂死恆星爆炸後,留下的其中一種紀念品就是中子星,該天體非常緻密,可以想像把一座聖母峰壓成一茶匙,粒子在內部以驚人密度擠壓在一起。最近科學家利用中子星內部成分探測器分析目前已知質量最大的中子星 J0740,卻發現它們可能沒有想像中稠密。

中子星來自一顆恆星耗盡核心燃料後,經重力坍縮發生超新星爆炸再壓縮而成,質量介於太陽質量 1.35~2.1 倍,但半徑僅 10~20 公里,也就是說中子星密度極大,相當於原子核密度,並且理論預測中子星質量越大、直徑就要越小。

在這種極端條件下,我們對中子星內部粒子的行為及轉變過程都不了解,一般認為中子星分為三層,表層為中子進行 β 衰變而來的電子、質子、微中子;中間層因壓力迅速增加,是一個充斥自由中子的中子海;但最核心卻是個謎。

▲ 中子星分層結構。

PSR J0740+6620(簡稱 J0740)是目前已知質量最大的中子星,於 2019 年由綠堤望遠鏡(Green Bank Telescope,GBT)發現,它和另一顆白矮星組成一個聯星系統,距離我們 4,600 光年遠;當時測得 J0740 質量約太陽質量 2.1 倍,接近中子星的理論質量上限(再大上去就會塌縮成黑洞),且直徑超過 30 公里(一般中子星直徑都落在 10 公里左右),由於質量相當大,內核密度也可能因此更高。

那麼質量如此大的中子星最深處,中子是會繼續堆積呢?還是會被扯開成最基本的夸克粒子呢?物理學家一直在想這個問題,理論學家則相信中子星應該擁有夸克核心(quark cores):一種中子、質子「融化」混在一起、原本被關禁閉的夸克能自由移動的奇異物質,該狀態下「原子核」不復存在。

要解決這疑惑,必須對中子星的大小與質量進行精確測量,才能計算恆星內核壓力與密度的關係,並評估物質在中子星內部可被壓縮到什麼程度。2019 年時,來自荷蘭阿姆斯特丹大學與美國馬里蘭大學帕克分校科學家的團隊,曾使用中子星內部成分探測器(Neutron star Interior Composition Explorer,NICER)數據估算脈衝星 J0030 + 0451(簡稱 J0030)的大小和質量,並確定該天體質量約太陽質量 1.4 倍,直徑約 26 公里。

現在,2 個團隊再以不同方法各自測量 J0740 的大小及質量,分別計算出直徑為 24.8 公里與 27.4 公里,可以看出 J0740 質量雖然比 J0030 大了一半,但直徑卻差不多,這結果挑戰了的「質量越大、直徑越小」的中子星模型,且說明中子星內部物質或許不像多數人預料的那般高度擠壓。

研究人員解釋,或許在中子星最內部夸克不被限制於中子內,但夸克與夸克粒子之間的強作用力仍很強、無法自由自在晃蕩,並未逃脫夸克禁閉,究竟中子星核心是否為奇異夸克核心還得先打個問號。

(圖片來源:NASA Goddard 影片截圖

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