为什么中子星没有全部坍塌来形成黑洞的惊人原因

撰稿人 Ethan Siegel

 JUN 13, 2018 @ 10:00 AM

从一声爆炸开始

    宇宙就在那里, 等待着你去发现它。

    由福布斯撰稿人表达的观点是他们自己的。

在一颗中子星创造之后中, 它能有各种各样的质量, 其中许多远远超过最大质量的白矮星。但在变成一个黑洞之前它们能获得多大质量有一个的限制, 关于一个单一质子的简单的核物理实验可能刚刚发现了为什么。

    理论上, 宇宙中很少有像黑洞那样的东西容易形成的。把足够的质量带进紧凑的体积内, 它变得越来越难以从它的引力逃脱。如果你要在一个地方集聚足够的物质并让引力做它的事情, 你最终会通过一个临界阈值, 在那里你需要引力上逃逸将超过光速的速度。达到这一点, 你会创造一个黑洞。

    但真实的、正常的物质将非常抵制的到那里的。氢是宇宙中最常见的元素, 它会在高温和密度的连锁反应中聚变来创造一个恒星而不是一个黑洞。像白矮星和中子星一样的烧尽的恒星核也能抵抗引力的坍塌并避免变成一个黑洞。但是, 尽管白矮星只能达到太阳质量的1.4 倍, 但中子星能质量大到两倍。在长久的最后, 我们终于明白了为什么。

天狼星A和 B, 一个正常的 (太阳型) 恒星和一个白矮星。尽管白矮星的质量要低得多, 但它的微小的、像地球一样的尺寸保证了它的逃逸速度要大很多倍。对一颗中子星, 质量能甚至更大,有数十公里的物理大小。

    在我们的宇宙中, 我们所知道的基于物质的天体都是由一些简单的成分组成的: 质子、中子和电子。每个质子和中子都由三个夸克组成的, 有一个含有两个上夸克和一个下夸克的质子和一个含有一个上夸克和两个下夸克的中子。另一方面, 电子本身就是基本粒子。虽然粒子分为两类------费米子和玻色子------夸克和电子都是费米子。

粒子物理的标准模型说明四种力 (引力除外)中的三种、发现的粒子的全套以及所有它们的相互作用。夸克和轻子是费米子,有许多其它 (玻色子) 粒子不拥有的独特的属性。

    你为什么要关心呢？原来是当到黑洞形成的问题时这些分类属性是至关重要的。费米子有几个玻色子没有的属性,包括:。

·   它们有半整数 (例如, ±1/2, ±3/2, ±5/2 等)自旋, 而不是整数 (0, ±1, ±2等)自旋,

·   它们有反粒子对应物;没有反玻色子的，

·   它们遵守泡利不相容原则, 而玻色子不遵守

最后这个属性是避免坍塌成一个黑洞的关键。

氢原子中对应于不同状态的能级和电子波函数。由于电子的自旋 = 1/2 的属性，一次只有两个(+ 1/2 和-1/2 状态)电子能在任何给定的状态中。

    只适用于费米子而不适应于玻色子的泡利不相容原则明确的指出, 在任何量子系统中, 没有两个费米子可以占具同一的量子态的。这意味着如果你拿来一个电子并把它放在一个特定的位置, 它将有一组在该状态的属性: 能量水平, 角动量, 等等。

    但是,如果你拿来第二个电子并把它加到你的系统中,在同一位置, 它被禁止具有相同的量子数目。它一定要么占据不同的能量水平, 有一个不同的自旋 (例如1/2, 如果第一个是-1/2,)，要么占据空间中一个不同的位置。这一原则解释了为什么周期表被像它是的那样排列的。

    这就是为什么有不同属性的原子, 为什么它们在复杂组合中那样做结合在一起的, 以及为什么周期表中的每个元素都是唯一的: 因为每种原子的电子配置与任何其它的不一样的。

贡献到它的自旋的一个质子的三价夸克, 但胶子、海夸克和反夸克以及轨道角动量也是如此的。静电排斥和串联的吸引的强核力是赋予质子它的大小的。

    质子和中子是相似的。尽管是由三夸克分开组成的复合粒子, 但它们的行为像是一个单一的、独自的费米子本身一样。它们也遵守泡利的不相容原则, 并且没有两个质子或中子能占据同一的量子态的。电子是费米子的事实是保持白矮星不在它们自己的引力下坍塌的，中子是费米子的事实防止中子星进一步崩塌。原子结构的泡利不相容原则对保持所有的最致密的天体不变成黑洞负责的。

一颗白矮星、一颗中子星甚至是一个奇怪的夸克星都仍然是由费米子构成的。泡利退步的压力帮助保持住恒星残骸反对引力坍塌, 防止黑洞形成。

    然而, 当你观察我们在宇宙中有的白矮星时, 它们包在大约1.4 个太阳质量的范围内:钱德拉塞卡质量极限。源自没有两个电子能够占据同一量子状态的事实的量子退步压力是防止直到这个阈值被越过为止黑洞形成的原因。

    在中子星中, 应该有一个类似的质量限制: 托尔曼-奥本海默-沃科夫限制。最初预计这将与钱德拉塞卡质量极限相同的, 因为基础物理学是相同的。当然, 这不是提供量子退步压力的特别的电子, 但这个原则(和方程式) 几乎是相同的。但我们现在从我们的观察知道, 有比太阳质量1.4倍更大质量的中子星, 也许上升高达2.3 或2.5 倍我们的太阳质量的。

一颗中子星是宇宙中最致密的物质集合之一, 但它们的质量有一个上限。超过它, 中子星将进一步坍塌来形成一个黑洞。

    然而, 这种差异有其原因。在中子星中, 强核力起着一个作用, 造成一个比简单的费米子的退步的冷气体模型 (这与电子有关) 更大的有效排斥。在过去的20多年里, 中子星的理论质量极限的计算有了巨大的变化: 从大约太阳质量1.5倍到3.0倍。这种不确定性的原因一直是围绕极其致密物质的行为的未知因素, 就像你在一个原子核中发现的密度一样是知之甚少的。

    或者更确切地说, 很长一段时间这些未知数困扰着我们, 直到上个月一篇新的论文改变了所有这些。随着他们的在质子内的压力分布的新论文在自然杂志的发表,共同作者布尔科特、爱娄德西里和吉罗德可能已经刚刚取得了理解中子星内部正在发生的的关键进展。

对质子内部结构的更好理解, 包括"海"夸克和胶子怎样分布的已经通过实验改进和串联的新理论的发展实现了。这些结果也适用于中子。

    我们的像质子和中子的核子模型在过去几十年里已经极大的改进, 这与计算和实验技术的改进一致。最新的研究采用了一种称为康普顿散射的古老技术, 其中电子向一个质子的内部结构发射来探测它的结构。当一个电子与一个夸克相互作用 (电磁) 时, 它发射一个高能光子, 一道有一个散射的电子并导致核反弹。通过测量所有三个产物, 你能计算出原子核内夸克所体验的压力分布。在一个令人震惊的发现中,靠近质子的中心的平均峰值压力出来到10³⁵帕斯卡: 一个比中子星在任何地方体验的更大的压力。

在很大的距离夸克被约束在一个核子中。但在短距离有一个防止其它夸克和原子核离每个单独的质子 (或,通过扩展中子)太近的排斥压力。

    换言之, 通过理解在单个核子内部这个压力分布怎样起作用, 我们能计算出什么时候和什么条件下可以克服这个压力。虽然实验只是为质子做的, 对中子结果也应该类似的意味着在未来我们应该能够计算出中子星质量的一个更精确的极限。

恒星残骸质量以多种不同的方式进行测量。此图显示通过电磁观测 (紫色) 探测到的黑洞的质量，由引力波观测 (蓝色) 测量的黑洞，用电磁观测测量的中子星 (黄色)和在一个称为GW170817事件合并的中子星质量，这是在引力波检测 (橙色)到的。合并的结果是一个中子星, 简单地说, 迅速的成为了一个黑洞。

    质子内部的巨大压力的测量以及那个压力的分布向我们显示对防止中子星坍塌负责的的。正是这个在每个质子和中子内产生于强力的内部压力当白矮星已经长出时把持住中子星的。确定究竟这个质量门槛在哪里刚好得到了一个很大的推动。不是仅仅依靠天体物理学的观测，而是核物理学的实验方面可以提供我们需要从理论上理解中子星的极限所在地方的路标。

天体物理学家和作者爱善西格尔是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术和超越银河在任何售书的地方都可以买到。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/06/13/the-surprising-reason-why-neutron-stars-dont-all-collapse-to-form-black-holes/#254bec827159