2022 年 10 月一篇發(fā)表在《自然天文學》上的文章表示：天文學家在一個超新星遺跡中發(fā)現(xiàn)了一顆非常奇怪的中子星。它的質(zhì)量異常的小，已經(jīng)超過了已知的中子星下限。對此要么是現(xiàn)有的中子星模型需要完善，要么它可能根本就不是個中子星，而是一顆奇異星，比如夸克星。
大質(zhì)量恒星在死亡時往往會經(jīng)歷超新星爆發(fā)，爆發(fā)拋射出的物質(zhì)在向外膨脹的過程中會與星際介質(zhì)相互作用，從而形成星云狀的特殊天體，這被稱為超新星遺跡（SNR）。
最有名的超新星遺跡應(yīng)該要數(shù)距離我們 6500 光年的蟹狀星云了，它中間那顆脈沖星就是九百多年前爆炸后殘留下來的中子星。
中子星作為大質(zhì)量恒星的殘骸，它的質(zhì)量通常不低于 1.44 倍太陽質(zhì)量，也就是錢德拉塞卡極限。如果低于這個質(zhì)量，那么致密星一般會是一顆沒有經(jīng)歷過超新星爆發(fā)的白矮星，就像我們太陽將來的結(jié)局。
對于中子星的研究其中一個難點在于對距離的測量。比如今天說的這個超新星遺跡（HESS J1731-347），之前人們計算它應(yīng)該位于一萬多光年外。但是最近人們發(fā)現(xiàn)了這里隱藏了另外一顆亮星，于是研究人員利用歐航局的蓋亞望遠鏡數(shù)據(jù)，重新計算了這片遺跡的距離。結(jié)果發(fā)現(xiàn)它比我們想象的要近得多，大約只有八千多光年。
這個結(jié)果直接影響到之前對中子星的特征估算。于是研究人員結(jié)合牛頓 X 射線望遠鏡數(shù)據(jù)，重新計算了該中子星的特征。結(jié)果是，這顆中子星的質(zhì)量僅僅只有 0.77 倍太陽質(zhì)量，半徑大約 10.4 公里。
這個結(jié)果表示了它與已知的所有中子星都不一樣，這意味著要么我們現(xiàn)有的中子星模型存在問題，要么它是一顆未知的奇異星，比如夸克星。
但是目前關(guān)于夸克星還沒有比較靠譜的理論和模型，甚至在很多情況下，有些中子星被認為符合夸克星的一些特征。
我們知道，上世紀 60 年代天文學家發(fā)現(xiàn)了預(yù)言中的脈沖星，也就是旋轉(zhuǎn)中的中子星。
那個時候人們對于比中子更小的夸克結(jié)構(gòu)還沒有太多的認識，只知道中子簡并壓可以在電子簡并壓之后繼續(xù)抵抗恒星的引力塌陷。
如果恒星殘骸的質(zhì)量再大一些，突破了奧本海默極限，那么中子簡并壓也會扛不住，于是恒星就只能繼續(xù)坍縮直至成為黑洞。但是在中子星和黑洞之間，是否還有中間過程，目前科學界任然沒有確切答案。
甚至對于中子星來說，目前我們也沒有完全搞清楚它具體的物質(zhì)形態(tài)。因為中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)取決于此時物質(zhì)的狀態(tài)方程。但是關(guān)于核子間的相互作用模型，至今仍然存在不確定性。尤其是在中子星內(nèi)核部位這種超高密度環(huán)境中，在那里物質(zhì)的組成狀態(tài)可能會發(fā)生變化，這將使得物質(zhì)可能出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，反映在狀態(tài)方程上就是會出現(xiàn)更多的自由度。
不同的狀態(tài)方程給出的中子星結(jié)構(gòu)大相徑庭，但當今主流的模型都認為在中子星的內(nèi)核中應(yīng)該存在特殊的物質(zhì)形態(tài)，比如超子物質(zhì)。
平時我們所熟知的由質(zhì)子、中子構(gòu)成的物質(zhì)，其內(nèi)部都是由第一代費米子的上下夸克組成的。而超子除了上下夸克外，還至少含有一個第二代費米子 —— 奇夸克。
在一些夸克星模型中，這里的奇夸克可能來源于中子中的下夸克，這些下夸克在變?yōu)槠婵淇说倪^程中伴隨著巨大的能量釋放。這可以在一定程度上彌補了傳統(tǒng)中子星模型對超新星爆發(fā)能量來源的解釋。
在這種模型里，中子星內(nèi)部不僅有包含奇夸克的超子物質(zhì)，還可能存在一些突破夸克禁閉的自由夸克物質(zhì)。
可以看出，中子星和夸克星其實并沒有明確的界限，它們只是側(cè)重點不同的模型。中子星并不是單純完全由中子構(gòu)成的天體，夸克星也不是完全由自由夸克組成的夸克球，它們可能都有著復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)形態(tài)。
不過中子星和夸克星還是有一些區(qū)別，比如對于中子星來說，它的質(zhì)量和半徑的立方成反比，也就是質(zhì)量越大中子星的個頭越小。
M ∝ 1/R3
因為質(zhì)量越大引力越大，物質(zhì)越容易被拉向中心。而中子星的半徑存在一個下限，大約是 10 公里。倘若質(zhì)量再大些的話，中子星則會被壓縮成黑洞。所以一個典型的中子星的質(zhì)量范圍通常在錢德拉塞卡和奧本海默極限之間，也就是大約 1.4~3 倍太陽質(zhì)量。
但對于夸克星來說，它的質(zhì)量與半徑的立方成正比，也就是質(zhì)量越大個頭越大。
M ∝ R3
雖然和傳統(tǒng)的中子星模型相比，夸克星內(nèi)部除了強大的引力束縛外，還有核子間的強相互作用束縛，理論上更加致密。但是對于夸克星來說，它在質(zhì)量構(gòu)成方面和傳統(tǒng)的中子星等天體存在很大不同。
之前說過，一般情況下希格斯機制只提供了物質(zhì)的很小一部分質(zhì)量。物質(zhì)的絕大部分質(zhì)量來源其實是夸克膠子間的各種相互作用賦予的。但對于夸克星這種奇異物質(zhì)來說，它已經(jīng)沒有了夸克禁閉這種正常的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，那么夸克星的實際質(zhì)量在模型中將需要被重新修正。
另外和中子星不同的是，10 公里對于中子星來說是半徑的下限，但對于夸克星來說 10 公里則成了半徑的上限，而夸克星的半徑下限可能壓根不存在。這意味著某種意義上夸克星的范圍非常寬泛，甚至如果有游蕩在星際間的微小奇異物質(zhì)，你都可以稱其為“夸克星”。
如何形成一個夸克星呢？通常情況下除了由中子星演變來之外，夸克星也可能由其他大質(zhì)量恒星直接演化而成。比如一些紅超巨星，由它們演化成的 II 型超新星或沃爾夫-拉葉星，都可能會發(fā)展成夸克星。
目前有不少屬性異常的中子星都被懷疑可能是夸克星。除了今天說的這個，像是已知距離我們最近的中子星（RX J1856.5-3754），它也是因為個頭太小而被認為可能是一顆夸克星。
還有位于仙后座的這顆毫秒脈沖星 3C58，它因為異常高的冷卻速率而無法用中子星模型來解釋，因此也被懷疑是一顆夸克星。
還有位于大麥哲倫星系中的 SN 1987A，它是 1987 年在蜘蛛星云外圍發(fā)現(xiàn)的一次超新星爆發(fā)。但是奇怪的地方在于，迄今為止人們在這里都沒有找到那顆坍縮后的中子星。為此天文學家們提出了各種猜想來解釋這顆失蹤的中子星，其中一個說法就是它可能成為了一顆夸克星。
還有歷史上最亮的超新星 SN 2005ap 和 SN 2006gy，它們在亮度方面表現(xiàn)得非常異常，是一般的 II 型超新星亮度的幾百倍。這種異常明亮的超新星意味著那里有著大量額外能量存在，這也讓人懷疑那里或許誕生了某種夸克星。
所以夸克星存在嗎？正如剛才所說，現(xiàn)階段我們對夸克星（包括中子星）了解得還非常有限，目前沒有一個統(tǒng)一的靠譜模型可以解釋所有現(xiàn)象。即使宇宙中真的存在夸克星這種天體，相信它也不會是某一天突然被我們發(fā)現(xiàn)。而應(yīng)該會像中子星和黑洞一樣，是隨著科學的發(fā)展，認識不斷地深入，從而逐漸被人們接受的一種新概念而已。
本文來自微信公眾號：Linvo 說宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
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