原标题:比中子星更加神秘,奇异夸克星真的存在吗?科学家该如何发现它?

致密星

大约再过50亿年,我们的太阳就会走到自己的末日,膨胀成一颗红巨星,最终以白矮星的命运结束自己的一生。

白矮星是宇宙中数量最多的致密星,因为绝大部分恒星都会以这种方式谢幕。当死亡恒星的内核质量大于太阳的1.44倍时,才会变成另一种致密星——中子星。

白矮星内部绝大部分都是碳元素,此外还会有一小部分氧、氮、氢。而中子星的引力过于巨大,以至于电子都被压进了原子核,与质子结合成为中子。因此,这种致密星几乎完全由中子构成,所以称为中子星。这么看来,中子星可以近似看作是一个只有中子、没有质子的特殊原子,而白矮星则可以看作是几乎完全由碳原子构成的一个巨大分子。

在中子星之上,还有黑洞,这要求死亡恒星的内核质量超过太阳的1.5-3倍。在黑洞内部,连中子也不复存在,一切物质都彻底被吞噬到奇点内,损失除质量、角动量以及电荷之外的所有物质。

这是迄今为止人类已知的三种致密星,但是我们发现,这里还有缺失的一环!

夸克星

按照白矮星近似于几乎只含有碳原子的分子、中子星可看作只有中子的原子的话,黑洞已经属于虚无。可是,中子并非基本粒子,它仍然可以继续分割。中子是由夸克组成的,分别是两个下夸克和一个上夸克。那么问题来了:难道宇宙中就没有一种夸克星吗?

或许,宇宙中就存在这么一种神秘的天体,介于中子星与黑洞之间,那就是夸克星。

在关于中子星的标准模型中,中子星的核心应该是保持完整的,也就是说,它的内部应该也是充满了中子。不过,最近的一些研究认为,中子星的内部或许会发生分解,形成传说中的物质——夸克汤。

由于夸克禁闭作用,我们几乎不可能分离出单个夸克来。但是在宇宙大爆炸或者中子星内部这种恐怖的超高压、超高温环境下,夸克有可能会游离出来,这种状态就叫做夸克汤。而在中子星内部,这种夸克汤就可能形成神秘的夸克星。它看起来和中子星有些相似,但比中子星还要更小。

(图片说明:中子星与夸克星)

如果这样的夸克星真的存在,那么它的内部会发生一些有趣的事情。我们知道,夸克一共有6种,而构成一切可见物质的质子和中子都是由上、下两种夸克组成的。而在夸克星内部,上夸克和下夸克会发生碰撞,从而产生另一种夸克——奇异夸克。奇异夸克比上、下夸克更重,并且会形成一种非常诡异的核子——奇异夸克团。

一个简单的奇异夸克团,是由一个上夸克、一个下夸克和一个奇异夸克组成。由于奇异夸克团密度远超过质子和中子,所以会将靠近自己的质子和中子撕裂,然后通过上述过程形成更多奇异夸克团。理论上来说,一个奇异夸克团一旦接触了普通物质,就会很快将其完全转变为奇异物质,小则是普通的奇异夸克团,大的就是奇异夸克星了。

这个理论听起来挺有趣的,可是很多科学家并不愿意接受。

首先,按照这个理论,所有的中子星内应该都有奇异夸克的存在,这就会导致中子星全都崩溃为夸克星。而实际上我们观测到的中子星,体积都超过了理论上夸克星的极限。

另外,虽然说质子和中子是由上、下夸克组成的,但不代表它们内部就绝对不存在奇异夸克。量子涨落允许奇异夸克偶尔在极短的时间内出现一下,而我们从未见过这样的情况导致周围的一切都变成奇异物质,因为单个的奇异夸克是不稳定的。因此,如果奇异物质真的存在,那也只可能存在于巨大而且密度极高的天体内。

(图片说明:白矮星)

即便如此,科学家们仍然锲而不舍,希望在宇宙中找到答案。最近的一项研究,似乎发现了一些秘密。在这项研究中,科学家试图寻找一种叫做奇异夸克矮星的天体。根据他们的假设,这种天体质量和白矮星差不多,但因为它是由奇异物质构成的,所以要比白矮星小得多。

那么,他们该如何寻找这种神奇的天体呢?

研究人员指出:宇宙中的白矮星似乎都遵从一个质量-半径函数,如果我们发现一些看似是白矮星却又不符合这个规律的,那就有可能是奇异夸克矮星。

(图片说明:白矮星的质量-半径函数)

目前来说,一颗天体的质量相对比较容易获得,而半径则比较复杂。好在,当我们知道一颗恒星的质量和表面的引力时,就可以很轻松的计算出它的半径——简单的万有引力公式就可以计算出来。因此,研究人员调用了蒙特利尔白矮星数据库内关于白矮星的数据来进行寻找。

在这个数据库中一共记录了超过5万颗白矮星的数据,其中4万颗同时有质量和引力的数据。这些数据相对来说并不难获得,通过引力透镜效应或者多普勒效应就可以计算出白矮星的质量,而表面的引力通过观测它产生的引力红移就可以计算出来。通过这些数据和上面提到的奇异矮星可能的性质,就可以寻找这种神秘的天体。

结果发现,绝大部分白矮星都遵从着质量-半径函数关系,但是其中也有8颗并不符合预测。这8颗白矮星的质量相对更小一点,这意味着它们有可能就是研究团队一直在寻找的奇异矮星。

当然,这也不意味着他们就已经找到了奇异矮星,毕竟我们要先排除观测数据的误差,还要确定是否白矮星还有些不了解的机制。

不管怎么说,这是一个好机会,值得深入研究。也许在宇宙中,就真的有奇异矮星这种神秘的天体甚至更加神奇的天体,等着我们去发现,并且届时将会让我们大吃一惊呢!