一顆從未見過的「奇異夸克星」可能是在宇宙碰撞後形成的


目前假設的宇宙物體,夸克星密度極高。

宇宙中可能包含極密且奇異的假想宇宙物體,被稱為奇異夸克星。儘管天體物理學家們還在爭論夸克星的存在,但一組物理學家發現,2019年觀測到的中子星合併殘骸的質量剛好可以成為這些奇怪的夸克星之一。

當恆星死亡時,它們的核心會壓縮到令人難以置信的程度,從而成為全新的物體。例如,當太陽最後閃爍時,它將留下一顆白矮星,一個行星大小的高度壓縮的碳原子氧原子球。當更大的恆星在被稱為超新星的災難性爆炸中爆炸時,它們會留下中子星。這些密度驚人的天體直徑只有幾英里,但質量卻是太陽的幾倍。顧名思義,它們幾乎完全是由純中子構成的,這使得它們實質上是幾公里寬的原子核

中子星是如此的奇特,以至於物理學家還沒有完全了解它們。雖然我們可以觀察到中子星如何與周圍環境相互作用,並對錶面附近的所有中子物質發生了什麼做出一些很好的猜測,但它們核心的組成仍然難以捉摸。

問題是中子並不完全是基本粒子。儘管中子與質子結合形成原子核,但中子本身是由更小的粒子夸克構成的。

夸克有六種類型或「味道」:上、下、頂部、底部、奇異和迷人。中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。如果你把太多的原子壓在一起,它們就會變成一個巨大的中子球。所以,如果你把太多的中子擠在一起,它們會恢復成一個巨大的夸克球嗎?

奇異之事

答案從「可能」到「這很複雜」不等。問題是夸克真的不喜歡獨處。將夸克束縛在原子核中的強核力,實際上隨著距離的增加而增大。如果你試圖把兩個夸克拉在一起,把它們拉回去的力就會增加。最終,它們之間的吸引能變得如此之大,以至於新的粒子出現在真空中,包括新的夸克,它們非常樂意與分離的夸克結合。

如果你想用組成中子的上夸克或下夸克製造一個宏觀物體,這個物體就會迅速而猛烈地爆炸。

但可能存在一條利用奇異夸克的路徑。奇怪的夸克本身相當重,當它們單獨存在時,它們會迅速衰變為較輕的上下夸克。然而,當大量夸克聚集在一起時,物理學可能會發生變化。物理學家已經發現,奇怪的夸克可以與上下夸克結合形成三胞胎,被稱為「奇夸克」,這可能是穩定的——但只有在極端的壓力下。就像中子星上的壓力。

這裡我們看到的是一位藝術家描繪的兩顆中子星在合併前不久的樣子。

宇宙碰撞

如果你把中子星壓縮得太緊,所有的中子就會失去支撐中子星的能力,整個中子星就會發生內爆,形成黑洞。但在這兩者之間可能會有一個台階,那裡的壓力高到足以溶解中子並形成一個奇怪的夸克星,但又不足以讓重力完全控制。

天文學家並不指望在宇宙中發現許多奇怪的恆星;這些物體必須比中子星重,但比黑洞輕,而且沒有很大的迴旋餘地。因為我們還沒有完全理解奇異滴的物理原理,我們甚至不知道奇異恆星可能存在的精確質量。

但最近,一組天文學家觀察了GW190425,這是2019年觀測到的兩顆中子星合併引發的引力波事件。伴隨著巨大的引力波,合併的中子星產生了千新星,一種比普通新星更強大但比超新星更弱的爆炸。雖然天文學家無法捕捉到該事件的電磁信號,但他們在2017年確實看到了一個類似的信號,產生了引力波和輻射。

當兩顆中子星合併時,根據它們的質量、自旋和碰撞角度,有幾種選擇。根據理論計算,中子星可以相互湮滅,形成黑洞,或者形成質量稍大的中子星。

根據最近發布在預印本資料庫arXiv上的新研究,這些宇宙碰撞可能會產生一種奇怪的夸克星。

該團隊計算出,2019年合併後留下的物體的質量在3.11到3.54太陽質量之間。根據我們對中子星結構的最佳理解,這有點太重了,它應該坍縮成一個黑洞。但它也在這些奇怪恆星結構模型允許的質量範圍內。

現在判斷GW190425是否是我們第一次觀測到一顆罕見的奇異夸克星還為時過早,但未來的觀測(以及更多的理論工作)可能會幫助天文學家確定這些奇異生物中的一種。