夸克

2020/7/14 18:37:54

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中子星是怎么形成的

讯，近日，有科学家研究发现，中子星的密度十分强大，但当冷却到绝对零度以上几度时，它的行为与液氦相似。从目前的认知来看，中子由三个夸克、两个下夸克和一个上夸克组成，中子星内部深处的夸克核影响中子星的总质量。

近日，一则研究表明，中子星内部可能有一层奇异的夸克物质!说到中子星，首先令人注意的是它仅次于黑洞的可怕引力。中子星是怎么形成的呢?当巨大引力把一颗恒星致命压缩，将其残骸粉碎成一个小城市大小的致密球时，中子星就形成了。它们的密度如此之大，以至于只有量子力和泡利排斥原理才能阻止它坍缩成黑洞奇点。中子星的内部是如此致密，以至于物质的行为方式我们仍然无法完全理解。

它们之所以被称为中子星，是因为它们的引力破坏了原子的结构。电子被挤进质子中产生中子。恒星内部的大部分区域变成了一片中子海，密度和原子核一样大。但我们知道这些恒星并非完全由中子构成，它们的大气层只有几厘米厚。年轻中子星的天空大部分是碳，密度和钻石一样高。和地球一样，中子星有一个硬壳，它漂浮在流体内部，这个地壳是由铁核构成的，温度非常高。

虽然中子星的内部非常热，但密度太高，中子海变成了超流体。当冷却到绝对零度以上几度时，它的行为与液氦相似。流体内部会产生巨大的磁场，把这些恒星变成磁星和脉冲星。由于我们不能直接观察中子星的内部，所以我们对它们的理解取决于我们对它的状态方程的理解。著名的托尔曼-奥本海默-沃尔科夫(TOV)方程虽然对普通恒星很有效，但它对中子星提出了挑战，因为中子不是基本粒子。

中子由三个夸克、两个下夸克和一个上夸克组成。上下夸克只是六种已知夸克中的两种。在我们的日常生活中，甚至在恒星的心中，中子的夸克紧紧地粘在一起。在所有实际应用中，中子都可以被当作一个简单的粒子来处理。但是在中子星的核心，事情变得复杂了。紧密堆积的中子可能会融化成夸克流体，当上下夸克在高能下碰撞时，它们可能会产生其他夸克，如奇异夸克或魅力夸克，或者他们可能不会。

为了回答这个问题，最近的一项研究将夸克的物理性质与观测到的中子星性质进行了比较。这项研究从夸克物质的性质的详细理论计算开始。其中一个特性涉及夸克物质中的声速。由于来自诸如星震之类的物体的压力波以声速传播，它在中子星的结构中起着至关重要的作用。

结果表明，在纯夸克物质中，声速与物质的温度和压力无关。中子物质不是这样的。科学家给出了中子星内部的一些合理假设，中子星内部深处的压力波可以将夸克从中子中释放出来，形成夸克核。这个核心的大小取决于中子星的总质量。

也就是说，中子星没有夸克核的可能性很小，但也有其他证据支持这一观点。最近对合并中子星的引力波观测证实其大小与夸克模型相符。天文学家最近还发现了一些质量大于两个太阳质量的中子星。这些大质量中子星更有可能拥有夸克核。虽然还需要进一步的研究来证实这一结果，但中子星内部的结构似乎比先前认为的要复杂得多。期待科学家有进一步的发现。

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中子星可能是寻找已久的夸克星吗

讯，近期，有科学家认为恒星在分子云中因引力不稳定作用而诞生，而质量较大的恒星会通过超新星爆发结束主序阶段的演化，形成残骸中子星或黑洞。目前，中子星可分为常规中子星和夸克星两类，所以中子星可能是寻找已久的夸克星。

20世纪人类认识自然的重要成就之一是建立了粒子物理标准模型。它认为自然界的基本费米子包括轻子与夸克，而规范玻色子传递着它们之间的相互作用。描述夸克之间强相互作用的基本理论为量子色动力学(QCD)，它在高能标(高温或高密度)极限下相互作用趋于消失，但在低能标情形夸克之间存在很强的耦合。高能微扰QCD非常成功，实验与理论很好地吻合;但QCD的低能非微扰行为却比较复杂，认识相对不足。事实上，当今高能物理领域极具挑战性的课题之一就是研究QCD的非微扰效应。

夸克物质以夸克和胶子为基本自由度。如果忽略夸克之间的相互作用，低温夸克物质可以处理为费米气。但自20世纪70年代起，人们开始注意到，因夸克之间存在吸引作用，夸克物质的费米面很可能是不稳定的。类似于低温金属中电子的超导态，夸克物质也可能处于色超导状态。20世纪90年代关于色超导的讨论逐渐展开，提出三味色味锁相、两味色超导相等不同的色超导态。

然而基于天体物理研究，也出现了“冷夸克物质处于固态相”的看法：夸克可能因其间强的相互作用而在位形空间凝聚成团。当温度足够低以致热动能远低于夸克团之间的作用能时，夸克物质呈现固态。因这种固体类似于人们日常生活中的固体，故称为普通固体。如果假设色超导能隙存在空间调制而破坏空间平移对称性，也有计算表明色超导物质也可以具有刚性。这样的超流态也可以看作为一种固体，称为超固体。

除了微观领域的成就外，包括恒星在内的天体物理研究也加深了人们对于宇观现象的认识。对作为宇宙重要层次之一恒星的研究在天体物理学中占有关键地位。一般认为恒星在分子云中因引力不稳定作用而诞生，中心点燃核聚变反应而成为主序恒星后享受其相对漫长的一生。不同初始质量的恒星选择不同的死亡方式：质量较小的恒星最终成为白矮星，而质量较大的恒星会通过超新星爆发结束主序阶段的演化，形成残骸中子星或黑洞。

中子星的平均密度超过原子核的密度。尽管中子星观测研究进展显著，但观测表现对物态依赖性并非敏感，且因几倍于原子核密度物质的状态本质上属于非微扰QCD问题，故至今关于中子星内部结构或物态一直没有定论。这导致中子星物态问题被粒子物理学家和天体物理学家所共同关注：前者寄望利用中子星这一得天独厚的天体实验室认识QCD的非微扰行为，而后者认为此问题与包括超新星在内的大质量恒星晚期演化、中子星相关若干天体物理过程等紧密联系。