[科普中國]-夸克星

簡介

夸克星是由奇夸克物質(zhì)組成，是一種假設(shè)的星體。理論上，奇夸克物質(zhì)（簡稱奇物質(zhì)）是在特別重的中子星里形成的密度極端高的一種物質(zhì)狀態(tài)。根據(jù)此理論，當(dāng)構(gòu)成中子星的中子因?yàn)槭艿奖旧碇亓λ莸母叨葔嚎s，個(gè)別的中子會(huì)因此崩壞，組成中子的夸克會(huì)分離開來，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成奇夸克，也就是“奇物質(zhì)”。這時(shí)的星體就是直接由奇夸克緊密結(jié)合在一起所構(gòu)成的“夸克星”或是“奇物質(zhì)星”（簡稱“奇星”），整個(gè)星體幾乎就是單一的一顆巨大的中子（對比來說，白矮星只是密集的原子核，而中子星就可以看作是一個(gè)巨大的原子核（中子團(tuán)），夸克星就是一個(gè)巨大的中子，黑洞就是一個(gè)理論上的奇點(diǎn)，體積為0）。以重量和密度來分類，夸克星是介于黑洞和中子星之間，如果再有足夠的物質(zhì)加入夸克星里，它之后會(huì)再繼續(xù)收縮塌陷而成為黑洞。

夸克星模型以夸克水平為基礎(chǔ)的星體在理論模型上至少有三種，“奇異夸克星”、“孤子星”及“玻色星”1。

奇異夸克星“奇異夸克星”是科普文章通稱的“夸克星”，成分以奇異物質(zhì)為主，主要建立在威滕假說上，專業(yè)學(xué)者文章多以“奇異星”來區(qū)分其差異，強(qiáng)調(diào)出其為奇異物質(zhì)所組成的夸克星，由于“奇異星”有時(shí)會(huì)跟“奇特星”（Exotic star）發(fā)生混淆，而“孤子星”及“玻色星”本身都有專有名詞，故一般稱“夸克星”系指“奇異夸克星”，而專業(yè)研究者之間因?yàn)橛泄餐ㄕZ言，因此學(xué)術(shù)論文中則大多以“奇異星”來避免泛指所有類型的夸克星。

“奇異夸克星”在“希格斯玻色子”的能階確認(rèn)以后，是否能夠稱為“夸克星”已經(jīng)開始形成一個(gè)重要的疑問，希格斯玻色子的能階明顯導(dǎo)致“奇異夸克星”不是單純地由“奇異物質(zhì)團(tuán)”所構(gòu)造成的，原有的理論需要大幅度進(jìn)行修正。其次，質(zhì)子大小的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致原有夸克星的短距力計(jì)算需要全部重新推導(dǎo)，新的物態(tài)方程尚未有任何研究報(bào)告發(fā)表。

孤子星“孤子星”（Soliton Star）以諾貝爾獎(jiǎng)得主李政道所推出的“非拓樸性孤子”（Non-topological soliton, NTS）為理論基礎(chǔ)（拓樸性孤子的模型目前有Skyrmion），主要是以純粹“費(fèi)米子”具有孤子波性質(zhì)的“孤子”來組成夸克星，被認(rèn)為是“暗物質(zhì)”的最佳候選者。由于宇宙間有95%以上的物質(zhì)屬于暗物質(zhì)（26.8%）或暗能量（68.3%），孤子星為暗物質(zhì)的最佳候選者，“孤子星模型”則在天體物理學(xué)當(dāng)中形成一大門派，在宇宙學(xué)上是非常重要的一個(gè)分支，解釋了宇宙間觀測到的質(zhì)量遺失問題。

玻色星“玻色星”則為以純粹玻色子來組成夸克水平的星體（復(fù)合玻色子），由于普通的星體一般是以費(fèi)米子為主的重子所組成，星爆不能供應(yīng)足夠的玻色子，玻色星被認(rèn)為不能由星爆產(chǎn)生，而是由大爆炸時(shí)期所遺留下來的暗物質(zhì)，或是存在于星系核當(dāng)中作為“巨質(zhì)量玻色星”。因?yàn)橄８袼共Ｉ拥募尤?，“巨質(zhì)量玻色星”應(yīng)該是最常見的形式，星系核在這一理論當(dāng)中被認(rèn)為是玻色星而非黑洞所組成的，此即為“銀河中心星系核是由暗物質(zhì)所組成”的說法來源，此一說法比“銀核是由黑洞所組成”更加合理，矛盾較少，同時(shí)作為星系核的玻色星無法任意被制造出來，也是觀測當(dāng)中沒有見過黑洞吸聚物質(zhì)因而產(chǎn)生嬰兒銀河的合理解釋。玻色星的性質(zhì)相當(dāng)奇怪，活動(dòng)模式也非常多樣化，許多人關(guān)注的黑洞、孤子星、夸克星及重力真空星的活動(dòng)與玻色星相較之下可說堪稱無聊至極，由此可見玻色星具有很高的研究價(jià)值。

另外還有一些理論尚不成熟的部分類型夸克星模型推出，例如：“裸奇異星”、“混雜態(tài)夸克星”與“夸克行星”。

黑星有些觀點(diǎn)認(rèn)為，作為黑洞替代方案最佳選擇之一的黑星（Black star）：“重力真空星”，其真空極化外殼組成成分因?yàn)槭峭高^玻色愛因斯坦凝聚態(tài)所產(chǎn)生的，由于大部分天體都是由重子所組成的，而重子的成分是由夸克所組成的，因此天體坍縮后形成的重力真空星也應(yīng)該是夸克所組成的，所以“重力真空星”應(yīng)該也是屬于夸克星的一種類型，不過“重力真空星”并未推導(dǎo)出其內(nèi)部實(shí)際組成物質(zhì)。

此外“重力真空星”雖無奇點(diǎn)，但是卻有一個(gè)類似“事件地平面”的“擬事界”，星體活動(dòng)近似于黑洞，使得外部觀測者沒有任何手段來區(qū)分重力真空星與黑洞的差別，要透過觀測來證明其組成物質(zhì)為夸克，存在巨大的技術(shù)難度，難以提供確切證據(jù)說明理論的正確性，此外理論中隱含使用了“時(shí)間量子”（chronon）的維度緊化，用以解釋致密星的時(shí)間停滯現(xiàn)象與坍縮空間壁的產(chǎn)生過程，而“時(shí)間量子”在物理實(shí)驗(yàn)中尚未被發(fā)現(xiàn)，因此要說服大部分天體物理學(xué)家做此歸類，恐怕還需要更多的理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)觀測。

結(jié)構(gòu)組成夸克星的結(jié)構(gòu)其實(shí)很簡單，不像中子星那樣分為很多層，其密度分布大致為常數(shù)。只要質(zhì)量不是太大，夸克星中心密度不到表面密度的兩倍，且面密度會(huì)在約1fm的尺度上速降為零。這是由于整星體是強(qiáng)相互作用約束的體系，夸克由于色禁閉效應(yīng)可能逃離表面太遠(yuǎn)。星體內(nèi)部除了夸克之外還存在電子。因電子只受比強(qiáng)相互作用弱得多的電磁約束，所以它們分布比較彌散，在夸克表面之外有一定延伸。因有夸克和電子保持電中性，這樣就不可避免地在夸克表面形成很強(qiáng)的電場。這一強(qiáng)電場的存在將一定程度上阻礙原子核與夸克物質(zhì)之間的強(qiáng)作用，從而使得夸克星表面以上撐起一個(gè)最大質(zhì)量約10E（-6）倍太陽質(zhì)量的殼層。如果夸克星果真具有這樣一個(gè)殼層，那么它的輻射特征包括熱輻射和非熱輻射將與中子很難區(qū)分。然而，因夸克星誕生時(shí)具有強(qiáng)大的中微子光子輻射場，且擁有強(qiáng)磁場并快速自轉(zhuǎn)，一般情況下很難形成這種殼層。沒有殼層、表面直接裸露于星際空間的奇異星稱為裸奇異星。裸奇異星表面粒子具有強(qiáng)的束縛能；而脈沖星某些射電輻射特征可能表明表面粒子束縛能遠(yuǎn)比中子星高。如果進(jìn)一步認(rèn)為其內(nèi)部的夸克物質(zhì)呈現(xiàn)固態(tài)，那么這種固體裸奇異星的表面輻射特性或許應(yīng)該類似于金屬，電子處于連續(xù)態(tài)。至今沒有明確探測到原子譜線可能就反映了這一屬性。固態(tài)奇異星類似剛體，可以表現(xiàn)出長期進(jìn)動(dòng)。另外，當(dāng)固態(tài)奇異星內(nèi)部應(yīng)力積累到一定程度時(shí)或許發(fā)生應(yīng)力迅速釋放,從而導(dǎo)致星震。固態(tài)奇異星星震會(huì)導(dǎo)致兩種后果：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的突然改變和能量包括彈性能和引力能等的快速釋放。前者可能與觀測到的自轉(zhuǎn)突跳glitch有關(guān)，而后者可以解釋一類天體（軟γ射線重復(fù)暴）巨大高能射線耀斑現(xiàn)象。

黑暗物質(zhì)說某些學(xué)說認(rèn)為“奇物質(zhì)”可能就是暗物質(zhì)。

夸克星仍只是理論上的假設(shè)星體，尚未獲得證實(shí)，但是在2002年4月10日由錢德拉X射線天文臺(tái)所觀測到的兩個(gè)星體，RXJ1856和3C58，則被認(rèn)為可能是夸克星。在這之前，這兩個(gè)星體一直被認(rèn)為是中子星。根據(jù)已知的物理定律，如果它們確實(shí)是中子星，那么RXJ1856似乎過小，而3C58則是過冷，以此推論這兩個(gè)星體應(yīng)該是由比中子星密度更高的物質(zhì)所構(gòu)成。一些學(xué)者則認(rèn)為這些觀察結(jié)果仍不足采信。至于夸克星是否真的存在就要看未來這些研究成果是否能夠獲得普遍的接受和證實(shí)。

RXJ1856，3C58兩顆古怪的星星，一顆太老，一顆太小，全不符合已知的天文學(xué)模式，為全新物質(zhì) 的存在提供了證據(jù)。科學(xué)家相信，這兩顆怪星不可能由原子，甚至亞原子微?！凶訕?gòu)成，而可能是由亞亞原子微?？淇?構(gòu)成。這兩顆怪星發(fā)出的高強(qiáng)度的X光線引起了美國宇航局(NASA)的錢德拉X光天文臺(tái)的注意，最初，科學(xué)家們以為它們可能是中子星，在證實(shí)夸克星存在之前，中子星是為人類所知的密度最大的恒星殘骸。大恒星發(fā)生超新星爆發(fā)后，它們的核心聚 變形成中子星。中子星有無法想像的超密度：一茶匙中子星物質(zhì)重達(dá)20億噸，或者說相當(dāng)于全世界汽車的總重量。這是因?yàn)?它們是由緊挨著的中子構(gòu)成的，而地球上的物質(zhì)由包含中子、質(zhì)子和電子的原子構(gòu)成，中間有大量空隙。天文學(xué)家們相信，這 兩顆新星的密度可能超過中子星。構(gòu)成中子星的中子夸克排列稀松，被稱為受限夸克。而兩顆怪星可能是由緊貼排列的自由夸克構(gòu)成，它們比受限夸克少占空間。如果天文學(xué)家的猜想被證實(shí)，它們將是最先被發(fā)現(xiàn)的夸克星，之前，夸克星還只 存在于科學(xué)家的理論中。(BUZZ)

怪星1：體積太小引起科學(xué)家關(guān)注的怪星之一體積非常小。哈佛—史密森尼亞中心的星際物理學(xué)家杰瑞米·德拉克(JeremyDrake) 說：“到目前為止，我們一直力圖從最細(xì)微的層次理解自然，這其中包括深入發(fā)掘物質(zhì)的細(xì)節(jié)。最新的觀察結(jié)果可能打開了通 向自然界最微小結(jié)構(gòu)的窗口。”南冕座星群的一個(gè)代號RXJ1856的物體引起了德拉克和他的研究小組的注意。RXJ1856 距離地球大約400光年(1光年=光一年穿行的距離，約相當(dāng)于6萬億英里)天文學(xué)家最初以為，這是一顆中子星，但當(dāng)他 們用錢德拉天文臺(tái)和哈勃太空鏡進(jìn)一步觀測后，發(fā)現(xiàn)怪星的直徑不超過10英里，低于中子星的最低標(biāo)準(zhǔn)(直徑12—20英 里)。德拉克說，對體積這樣小的星星解釋只能是一顆中子星壓縮直到產(chǎn)生自由夸克，形成夸克星。

怪星2：老得出奇第二怪星則出奇地老，它位于仙后座星群，代號3C58，距離地球約1萬光年。研究這顆老怪星 的哥倫比亞大學(xué)天文學(xué)家大衛(wèi)·赫范德(DavidHelfand)說：“早在1181年，亞洲天文學(xué)家記載了它的超新 星爆發(fā)，如果以中子星標(biāo)準(zhǔn)推算，天文學(xué)家估計(jì)，今天它應(yīng)該冷卻到3560萬攝氏度，但事實(shí)上，它只有大約100萬攝氏 度，這對于中子星而言太冷了?！焙辗兜抡J(rèn)為，即使以中子星的密度也不能以足夠快的速度擠壓出微粒，達(dá)到如此迅速冷卻， 3C58必須有5倍于中子星的密度。“根據(jù)我們的觀測推斷，它的核心是由陌生的新材料構(gòu)成的?！?/p>

“夸克星”研究顯示，有些恒星在演化末期可能會(huì)變成“夸克星”。當(dāng)星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時(shí)，密度大增會(huì)把夸克擠出來，最終一個(gè)太陽大小的星體可能會(huì)萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會(huì)發(fā)光。

夸克理論認(rèn)為，夸克都是被囚禁在粒子內(nèi)部的，不存在單獨(dú)的夸克。一些人據(jù)此提出反對意見，認(rèn)為夸克不是真實(shí)存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預(yù)言都與實(shí)驗(yàn)測量符合得很好，因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。

戴阿科諾夫預(yù)測1997年，俄國物理學(xué)家戴阿科諾夫等人預(yù)測，存在一種由五個(gè)夸克組成的粒子，質(zhì)量比氫原子大50%。2001年，日本物理學(xué)家在SP環(huán)－8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑料時(shí)，發(fā)現(xiàn)了五夸克粒子存在的證據(jù)。隨后得到了美國托馬斯·杰裴遜國家加速器實(shí)驗(yàn)室和莫斯科理論和實(shí)驗(yàn)物理研究所的物理學(xué)家們的證實(shí)。這種五夸克粒子是由2個(gè)上夸克、2個(gè)下夸克和一個(gè)反奇異夸克組成的，它并不違背粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。這是第一次發(fā)現(xiàn)多于3個(gè)夸克組成的粒子。研究人員認(rèn)為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的成員，還有可能存在由4個(gè)或6個(gè)夸克組成的粒子。

鄭廣生觀點(diǎn)2009年，香港大學(xué)的鄭廣生等人在著名的arxiv網(wǎng)站上發(fā)表文章，提出163000光年外大麥哲倫星云的SN 1987A可能不是中子星，而是天體物理學(xué)家們苦苦尋覓的夸克星，這種奇異物質(zhì)將為我們透露關(guān)于早期宇宙的信息。

產(chǎn)生途徑天文學(xué)家宣布，一種罕見的高光度恒星爆發(fā)可能已導(dǎo)致了新型物質(zhì)的產(chǎn)生，即通常所說的夸克星。而夸克星的存在與否，若存在其生成過程又是怎樣，都會(huì)是天文學(xué)的重大課題。

在有記錄的3個(gè)異常光度超新星的爆發(fā)中，有一個(gè)是加州理工學(xué)院帕洛馬天文臺(tái)的機(jī)器人望遠(yuǎn)鏡首次觀測到的。根據(jù)其觀測報(bào)告并與之前數(shù)據(jù)綜合，加拿大天文學(xué)家指出，這3個(gè)超新星每一個(gè)亮度都是常規(guī)超新星的100倍，其爆發(fā)意味著一個(gè)之前沒有觀測到的新物體的產(chǎn)生。天文學(xué)家進(jìn)而分析說，3個(gè)超新星中的每一個(gè)都可能是由中子星爆發(fā)轉(zhuǎn)換成為夸克星的。

夸克星的重量和密度介于中子星與黑洞之間，如有更多物質(zhì)加入引發(fā)坍縮，則最終能形成黑洞，甚至有專家認(rèn)為其與暗物質(zhì)關(guān)系密切。但只有進(jìn)一步的觀察才能對夸克星的假設(shè)作最后推論，下一步，天文學(xué)家將啟用高速計(jì)算無線寬頻研究與教育網(wǎng)來傳送研究數(shù)據(jù)，以期用最高科技來接近夸克星的真實(shí)面目。

發(fā)現(xiàn)迄今傳統(tǒng)觀點(diǎn)一直認(rèn)為夸克星的尺寸應(yīng)該比中子星小。這看上去似乎是合理的，因?yàn)榭淇诵鞘窃谥凶有堑幕A(chǔ)上進(jìn)一步坍縮而成的，這使得其中的物質(zhì)會(huì)變得更加致密，于是占用的體積就會(huì)減少。但根據(jù)一個(gè)由德國、瑞士和美國科學(xué)家組成的國際合作小組的最新計(jì)算，夸克星實(shí)際上可能會(huì)比它們的表兄中子星大。但這怎么可能呢？

這些復(fù)雜的計(jì)算牽涉到中子星和夸克星的“狀態(tài)方程”，它描述了組成這兩類天體的物質(zhì)本身的性質(zhì)。他們的計(jì)算結(jié)果顯示，一顆質(zhì)量為太陽2.5倍的夸克星會(huì)比質(zhì)量為太陽2倍的中子星要來得大。

這一發(fā)現(xiàn)對于尋找潛在的夸克星而言是非常有趣的。如果天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆具有2.5個(gè)太陽質(zhì)量的大型中子星的話，也許他們真正看到的其實(shí)是一顆夸克星。

一旦發(fā)現(xiàn)了夸克星，它不僅對于天文學(xué)家而言具有重要的意義，對于在歐洲核子中心工作的物理學(xué)家而言也是如此，他們可以借此獲得自然產(chǎn)生的“奇異夸克物質(zhì)”的大量信息。雖然大型強(qiáng)子對撞機(jī)可以制造出高溫“夸克膠子等離子體”，但實(shí)驗(yàn)室里至今還無法制造出奇異夸克物質(zhì)，所以夸克星的發(fā)現(xiàn)將會(huì)惠及天體物理學(xué)家和粒子物理學(xué)家。2