在中子星中发现的新奇特物质

在过去的40年中，确认中子星内部存在夸克核芯一直是中子星物理最重要的目标之一。

芬兰的一个研究小组找到了有力的证据，证明存在的最大中子星核心中存在奇异的夸克物质。通过将理论粒子和核物理学的最新结果与中子星碰撞产生的引力波的测量结果相结合，得出了结论。

我们周围的所有正常物质都是由原子组成的，原子的稠密原子核包括质子和中子，被带负电的电子包围。但是，在所谓的中子星内部，原子物质会坍塌成巨大的核物质，其中的中子和质子紧密地堆积在一起，因此整个恒星可以被视为一个巨大的核。

直到现在，还不清楚在最大质量的中子星的核内核物质是否坍塌成一种更为奇特的状态，即所谓的夸克物质，在该状态下原子核本身不再存在。赫尔辛基大学的研究人员现在声称，这个问题的答案是肯定的。新结果发表在著名的《自然物理学》杂志上。

赫尔辛基大学物理系和赫尔辛基大学副教授Aleksi Vuorinen表示：“自从大约40年前首次提出这种可能性以来，确认中子星内部存在夸克核一直是中子星物理学的最重要目标之一。”物理研究所。

存在­的可­能性很大

甚至在无法确定中子星内部核物质命运的超级计算机上运行的大规模模拟下，芬兰研究小组也提出了解决该问题的新方法。他们意识到，通过将理论粒子和核物理学的最新发现与天体物理测量相结合，有可能推断出中子星内部物质的特征和特性。

除Vuorinen之外，该小组还包括赫尔辛基的博士生Eemeli Annala以及弗吉尼亚大学的同事Tyler Gorda，CERN的Aleksi Kurkela和哥伦比亚大学的JoonasNättilä。

根据这项研究，驻留在最大质量的稳定中子星核内的物质与夸克物质比与普通核物质更相似。计算表明，在这些恒星中，被确认为夸克物质的核的直径可能超过整个中子星的直径的一半。但是，沃林恩指出，中子星的确切结构仍然存在许多不确定性。几乎肯定可以发现夸克物质是什么意思？

“所有中子星仅由核物质组成的可能性仍然很小，但并非为零。但是，我们能够做的是量化这种情况所需的条件。简而言之，那么稠密核物质的行为就必须是真正独特的。例如，声音的速度几乎要达到光速。” Vuorinen解释说。

通­过引力­波­观­测­确定半径­­­­­­

促成新发现的一个关键因素是观测天体物理学的两项最新成果的出现：中子星合并产生的引力波的测量以及质量接近两个太阳质量的非常大的中子星的探测。

2017年秋天，LIGO和处女座天文台首次探测到两个合并的中子星产生的引力波。这项观测为潮汐可变形性设定了严格的上限，该量度用于衡量绕星运行的结构对其同伴的引力场的敏感性。随后，该结果被用于得出碰撞中子星半径的上限，该上限大约为13 km。

同样，虽然对中子星的首次观测可以追溯到1967年，但这些星的精确质量测量仅在过去20年左右才有可能。大多数质量已知的恒星都落在1到1.7个恒星质量之间的窗口中，但是在过去的十年中，目睹了三颗恒星的探测到达到甚至可能超过了两个太阳质量极限。

期望­进一步的观­察­­­­

有点与直觉相反，关于中子星半径和质量的信息已经大大减少了与中子星物质热力学性质相关的不确定性。这也使得能够完成芬兰研究小组在《自然物理学》文章中提出的分析。

在新的分析中，将天文学的观测结果与粒子和核物理学的最新理论结果相结合。这使得能够对所谓的中子星物质的状态方程进行准确的预测，这是指中子星物质的压力与能量密度之间的关系。这个过程中不可或缺的一个组成部分是广义相对论的一个众所周知的结果，它把状态方程与中子星半径的可能值和质量之间的关系联系起来。

自2017年秋季以来，已经观察到许多新的中子星合并，并且LIGO和处女座已迅速成为中子星研究的组成部分。正是这种新的观测信息的迅速积累，对提高芬兰研究小组的新发现的准确性以及确认中子星内部存在夸克物质起着关键作用。预计在不久的将来还会有进一步的观察，与新结果相关的不确定性也将自动减少。

“有理由相信，引力波天体物理学的黄金时代才刚刚开始，并且在我们对自然的理解中，我们不久将目睹更多这样的飞跃，” Vuorinen欣喜若狂。

参考：“ Eemeli Annala，Tyler Gorda，Aleksi Kurkela，JoonasNättilä和Aleksi Vuorinen的Eemeli Annala，Tyler Gorda和Aleksi Vuorinen的证据，2020年6月1日，自然物理学。DOI：
10.1038 / s41567-020-0914-9