奇怪的夸克星可能已经从一次幸运的宇宙合并形成

By Paul Sutter

2022/9/17

夸克星是极端的密------目前假设的------宇宙天体。 (Image credit: bestdesigns via Getty Images)

这个宇宙可能包含被称为奇怪夸克星的极端密和异域的假设天体。在天体物理学家继续争论夸克星的存在的同时，一组物理学家已经发现在2019年中观测到的一个中子星合并的残骸刚好有是这些奇怪的夸克星之一的质量。

当恒星死亡时，它们的核压缩到如此难以置信的程度以致变成全新种类的天体。例如，当太阳最终灭掉时它将留下一颗白矮星，一个行星大小的高度压缩的碳和氧原子球。当甚至更大的恒星在叫超新星的灾难性爆炸中爆炸时，它们留下中子星。这些难以置信密的天体跨度只有几英里，但能称重太阳质量的几倍。正如它们的名字暗示的，它们几乎完全由纯中子组成，使它们本质上几公里宽的原子核。

中子星是如此异域的以至于物理学家们还没有完全理解它们。虽然我们能观察中子星怎样与它们周围相互作用并做出至于对表面附近所有的中子物质什么正在发生的一些好的猜测，但它们的核的组成仍然难以捉摸的。

问题是中子并不是完全的基本粒子。即便中子与质子捆绑来形成原子核，但中子本身被甚至叫夸克的更小的粒子组成。

有六种或“风味”的夸克：上、下、顶、底、奇和魅。一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。如果你把太多的原子压在一起，它们转变成一个巨大的中子球。如此，如果你一起挤压太多的中子，它们转变成一个巨大的夸克球吗？

奇怪的物质

答案从“可能”到“它是复杂的”变化。问题是夸克真的不喜欢是孤独的。在一个原子核中结合夸克的强核力实际上随着距离增长。如果你试图把两个夸克拉在一起，把它们拉回的力增加。最终，它们之间的吸引能量变得如此之大以至于新的粒子出现在真空中，包括那些不止乐意与分开的粒子结合的新夸克。

如果你要制造一个出自构成一个中子的上或下夸克的宏观物体，那个物体会非常迅速、非常猛烈的爆炸。

但可能有一条用奇怪夸克的途径。奇怪的夸克它们本身是相当重的，当它们被单独留下时它们迅速的衰变成更轻的上和下夸克。然而，当大量的夸克聚集在一起时物理学可能会变化。物理学家已经发现奇怪的夸克能与上和下夸克结合来形成叫奇异子的三联体，这可能是稳定的------但仅在极端压力下。就像在中子星上方一步的压力一样。

艺术家的合并前不久两颗中子星的描述。 (Image credit: NASA/Goddard Space Flight Center)

宇宙碰撞

如果你太多压缩一个中子星，所有的中子失去它们的来支持这个恒星的能力，整个东西内爆来制造一个黑洞。但在这之间可能有一步，在那里压力高到足以溶解中子并来形成一个奇怪的夸克星，但不足强烈到引力来彻底控制。

天文学家不期望在宇宙中发现很多奇怪的恒星；这些天体必须比中子星更重但比黑洞更轻，而且在那里没有太多的回旋空间。因为我们还没有完全理解奇异子的物理学，我们甚至不知道奇怪的恒星可能存在的精确质量。

但最近，一组天文学家观察了GW190425，一个由2019年观测到的两颗中子星的合并触发的引力波事件。伴随巨大量的引力波，合并的中子星产生了一个千新星，一种比一个常规新星更强大但比一个超新星更弱的爆炸。尽管天文学家不能够从这次事件捕捉到一个电磁信号，但他们确实在2017年看到了一个类似的即产生了引力波又产生了辐射的信号。

当两颗中子星合并时，依靠它们的质量、它们的自旋和碰撞的角度有一些可利用的选择。按照理论计算，中子星可以彼此湮灭形成一个黑洞或者制造一个质量稍大的中子星。

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而按照最近发布在预印本数据库arXiv上的新研究，这些宇宙碰撞可能制造一颗奇怪的夸克星。

该团队计算出被2019年合并时留下的该天体的质量大约在3.11到3.54个太阳质量之间。基于我们的中子星结构的最佳理解，这刚好有点太重，它应该已经坍塌成了一个黑洞。但它也落在被这些奇怪恒星的结构模型允许的质量范围内。

来告诉是否GW190425是我们的第一次观测到一颗罕见的奇异夸克星还为时过早，但未来的观测（以及更多的理论工作）可能帮助天文学家定下这些异域生物之一。