由死恒星烹饪的核“意大利面”可能解开恒星活后的秘密

By Paul Sutter

2023/9/26

Science & Astronomy

在中子星的极端心脏中，基本粒子被扭曲成奇怪的“意大利面”形状，可以揭示未告知的关于死亡恒星如何演变的秘密。

在蟹状星云中心的一颗中子星（中间右边的明亮恒星）。 (Image credit: NASA/ESA)

想象在一个超过一万亿度的温度下烹饪意大利面。但这不只是任何普通的周日晚菜肴，这是在中子星内部发现的“核意大利面”。研究人员刚刚已经发现这些奇怪的核形状比我们从来想的可能的远更深渗透进中子星的核，而这能根本上改变这些死星的属性。

中子星是极端的非常定义。宇宙中一些最大质量恒星的残骸，它们通常将几个太阳的物质塞进一个不大于曼哈顿的体积中。为取得这些令人难以置信的密度，在它们内的物质被如此压缩以至于原子和甚至核键都被破坏。它只是一个巨大的、由自由漂浮的中子、电子和质子组成的热海洋，通过强核力的复杂相互作用结合在一起。

鉴于这些极端条件，天文学家仍然不了解到底中子星的物质本身如何组成。一种可能性是中子星实际上是混合体。它们的壳和外层几乎完全由中子组成，有一些电子和质子被扔进混合物中。但它们的核体验如此极端的压力和密度甚至中子分解，留下一个致密的半液体的夸克------物质的最基本的成分。

夸克核和中子外层之间的关系决定中子星的整体属性：它如何自旋、当外壳破裂时如何振动以及当它与其他中子星在叫千新星爆炸的碰撞中如何行为。在核和外层之间有一个尖锐截止的中子星将对有一个在这些区域之间逐渐混合的中子星不一样的行为。然而，因为我们附近没有任何中子星来破开和调查，我们必须转向理论模型来试图了解它们的内部。

两位理论物理学家已经拿起这一挑战。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到中子星的内部。在他们的尚未经过同行评审的工作中，他们集中在夸克核和中子外层之间的这个难以捉摸和复杂的过渡区域上，特别是当到...意大利面时。

一个明亮的宇宙爆炸的描画。 (Image credit: ESA, illustration by ESA/ECF)

这绝不是普通的通心粉。在这个过渡区的核“意大利面”是由浸入在一个夸克海洋中的紧凑中子团块组成的。它们的出现来自强大的核力和电磁力的复杂相互作用，这造成中子在整个过渡区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、杆状和气泡，类似于在意大利美食中发现的各种意大利面的奇形状。（一旦他们意识到“核意大利面”被浸泡在一个夸克的热水浴中就像一锅沸腾的水一样，这个比喻效果更好）。最后，在足够深的深度，压力变得太强烈，而意大利面分解成一个夸克的海洋。

研究人员观察了一个弯曲形状对试图来拉直它出去变换的抵抗力的曲率张力的重要角色。曲率张力类似于更熟悉的表面张力，其中一个液体抵抗试图穿透它的表面的外力。

研究人员发现曲率张力能有利于某些形状，使现在“烹饪好”的意大利面来达到更深入夸克核，而不利于其他形状。特别是他们发现由于曲率张力的贡献，管子和气泡能存活到比以前认为的更高的密度，而液滴和杆不会持久。

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这些看似像小的变化一样，但它们能潜在的有很大的影响。当中子星碰撞导致千新星爆炸时那个爆炸的细节------最重要的是，让那个爆炸来产生元素周期表上许多更重元素的能力------依靠中子星的内部。中子到达进入核多远以及它们采用的形状中的差异能改变这些爆炸多演变的。

研究人员的下一步是充实这一思路并调查我们如何能用千新星爆炸来揭示中子星内部的详细结构，特别是所有美味的中子形状。