撰文：保罗.萨特                2023年9月21日

蟹状星云中心的一颗中子星（中心偏右的明亮恒星）。（图片：美国宇航局、欧空局）

想象一下，在超过一万亿度的温度下烹饪意大利面。但这不仅仅是一道普通的周日晚间菜肴；这是在中子星内部发现的“核意大利面”。研究人员刚刚发现，这些奇怪的核形状比我们想象的要深入中子星的核心，这可以从根本上改变这些死恒星的性质。

中子星正是极限的定义。宇宙中一些质量最大的恒星的剩余核心，通常会将几个太阳的物质塞进不比曼哈顿大的体积中。为了达到这些令人难以置信的密度，它们内部的物质被压缩到原子，甚至核键都被破坏了。这只是一个由自由漂浮的中子、电子和质子组成的巨大热海，通过强大核力的复杂相互作用结合在一起。

在这些极端条件下，天文学家仍然不清楚中子星的物质是如何组成的。一种可能性是，中子星实际上是混合体。它们的地壳和外层几乎完全由中子组成，一些电子和质子被抛入混合物中。但它们的核心经历了如此极端的压力和密度，甚至中子也会分解，留下致密的半液体夸克——物质的最基本成分。

夸克核和中子外层之间的关系，决定了中子星的整体性质：它如何旋转，外壳破裂时如何振动，以及在被称为千新星的爆炸中，与其他中子星碰撞时的行为。在核心层和外层之间有尖锐切口的中子星，将与在这些区域之间逐渐混合的中子星表现不同。然而，由于我们附近没有任何中子星可以打开并进行研究，我们不得不求助于理论模型来试图了解它们的内部。

两位理论物理学家接受了这一挑战。在8月26日提交给预印本数据库arXiv的一篇论文中，他们将夸克和中子行为的最新模型，应用于中子星内部。在他们尚未经过同行评审的工作中，他们专注于夸克核和中子外层之间这一难以捉摸且复杂的过渡区，尤其是当涉及到…意大利面的出现时。

这不是普通的通心粉。这个过渡区的核“意大利面”，是由浸入夸克海洋中的致密中子团组成的。它们的出现源于强大的核子力和电磁力的复杂相互作用，这导致中子在整个过渡区被弯曲和扭曲成各种奇怪的形状。当物理学家第一次发现这些结构时，他们发现了各种有趣的形状：团块、管、棒和气泡，类似于意大利菜中各种各样的意大利面形状。（当他们意识到“核意大利面”像沸水锅一样，浸泡在夸克的热水浴中时，这个比喻就更好了。）最后，在足够深的地方，压力变得太大，意大利面分解成夸克的海洋。

研究人员观察了曲率张力的重要作用，曲率张力是弯曲形状对试图将其拉直的变换的阻力。曲率张力类似于更常见的表面张力，即液体抵抗试图穿透其表面的外力。

研究人员发现，弯曲张力有利于某些形状，使现在“煮熟”的意大利面能够深入夸克核，而其他形状则不受欢迎。具体来说，他们发现，由于曲率张力的作用，管和气泡可以存活到比以前想象的高得多的密度，而液滴和气泡棒不会持续很长时间。

这些看似微小的变化，却可能产生巨大的影响。当中子星碰撞导致千新星爆炸时，爆炸的细节——最重要的是，爆炸产生元素周期表上许多较重元素的能力——取决于中子星内部。中子进入核心的距离和形状的差异，可能会改变这些爆炸的演变方式。

研究人员的下一步是充实这一思路，并研究如何利用千新星爆炸，来揭示中子星内部的详细结构，尤其是所有美味的中子形状。