浩瀚宇宙中尋覓夸克星

岳棠

在物理學中，常常有理論先于發(fā)現(xiàn)的情況。1916年，愛因斯坦提出“引力波”的概念，直到100年后，人類才真正探測到引力波。而有一些概念就沒有引力波那么幸運了，迄今為止仍然只是理論，夸克星就是其中之一。

20世紀60年代，有科學家提出“夸克星”的概念，到目前為止，卻仍然沒人能在浩瀚的宇宙中證實夸克星的存在。但科學家沒有放棄，一直試圖在茫茫宇宙中找到它。

想要找到夸克星，首先要了解什么是夸克星。

夸克星是什么？

事情要從恒星演化說起。恒星在整個生命過程中一直在發(fā)光發(fā)熱，燃燒著自身的燃料，但燃料總有耗盡的一天。當恒星的燃料耗盡，它便開始變冷收縮。而恒星最終會收縮到什么程度，取決于這顆恒星的質量，在物理學上，一般以太陽的質量來衡量其他恒星的質量。

如果一顆恒星燃燒后的最終質量小于1.4個太陽質量，那么它最終會停止收縮，變成白矮星。我們在夜晚看到的最明亮的一顆恒星——天狼星的附近就有一顆白矮星，它是科學家最早發(fā)現(xiàn)的白矮星。為什么白矮星最終會停止坍縮呢？原因是根據(jù)泡利不相容原理，白矮星內部的電子之間存在排斥，與引起坍縮的引力相抗衡，使之停止坍縮。

當一個4～8個太陽質量的恒星燃燒殆盡，只剩下個1.4～2倍左右太陽質量的星球，就會形成另一種恒星的終態(tài)——中子星。中子星的半徑只有10千米左右，而太陽的半徑有69.55萬千米，可以想象中子星的密度是非常大的，有多大呢？一湯匙的中子星物質在地球上重10億噸。中子星沒有繼續(xù)坍塌的原因是其內部的中子之間的排斥抵擋住了引起坍縮的引力。中子星的成功觀測也沒有那么順利，第二次世界大戰(zhàn)前，有科學家預言了中子星的存在，在30年后，它才第一次被探測到。

宇宙中有沒有更大的恒星呢？答案是肯定的。超大質量的恒星最終會坍縮成黑洞。

但有科學家認為理論上，在中子星與黑洞之間還存在某種恒星的終態(tài)——夸克星。夸克星的形成是因為這種恒星太大了，在燃燒殆盡后，還有2倍以上的太陽質量。由于質量大，引力就大，電子之間的排斥力和中子之間的排斥力都無法克服引力，引力使中子解體為更小的粒子——夸克（1個中子包含1個上夸克和2個下夸克）。夸克之間同樣存在排斥，它們之間的排斥可能最終與引力相抗衡，阻止恒星繼續(xù)坍塌成為黑洞，形成夸克星。

那么，夸克星長什么樣？科學家推測，夸克星有一層外殼，很可能由中子物質組成，沒有內核，且夸克星內部的夸克是自由移動的，不像在中子星中，夸克被束縛在一起形成中子。在大小上，夸克星可能比中子星稍小。然而，迄今為止，人類還沒有發(fā)現(xiàn)夸克星。

為什么夸克星如此罕見？

尋覓夸克星困難重重

形成夸克星的條件是苛刻的，要求恒星的質量在一定的范圍內（雖然這個范圍目前還沒能確定），既不能形成中子星，也不能坍縮為黑洞?？淇诵强赡苁遣环€(wěn)定的?？淇藦牟粏为毘霈F(xiàn)，至少到目前為止，科學家還沒有發(fā)現(xiàn)過單獨存在的夸克，單夸克很有可能并不存在，它們一定要“抱團”形成其他諸如中子、質子的粒子，因此夸克星很可能不能長時間穩(wěn)定存在。在恒星坍縮的過程中，夸克星可能曾出現(xiàn)過，但由于它很不穩(wěn)定，不能長時間保持，也許在我們還沒來得及探測到它時就已經(jīng)繼續(xù)坍縮為黑洞了。

另外，夸克星的“外貌”也是找到它的阻礙之一。從表面上看，夸克星與中子星幾乎沒什么差別，兩者同樣發(fā)光發(fā)熱且致密。有科學家估計，在銀河系中應該有將近10億顆中子星，說不定其中就藏有夸克星，而目前科學家所找到的銀河系中子星只有不到2000顆，繼續(xù)探尋下去，也許能邂逅夸克星。

目前對夸克物質物理性質的不夠了解也是一大障礙。除此之外，在實驗室里模擬夸克星形成過程幾乎不可能，地球上無法滿足夸克星形成所需的條件，夸克星形成所需要的溫度和密度是目前實驗室中所能提供的溫度、密度的10億倍?？茖W家另辟蹊徑，嘗試用粒子對撞機制造夸克物質，目前最大的成績是成功制造出了極熱的夸克-膠子等離子體，但夸克-膠子等離子體只出現(xiàn)在碰撞的瞬間，也許是幾微秒，然后迅速冷卻轉化為其他物質粒子。

雖然困難重重，但豈能輕易放棄。

尋星之路漫漫

尋找夸克星很大程度上要依賴于對中子星的了解。雖然二者在外形上十分相似，但總存在些許差別。科學家認為，夸克星的旋轉方式應該與中子星不同。另外，夸克星的密度應該比中子星大。在恒星演化過程中，某些恒星在演化末期時會來一場轟轟烈烈的爆炸，發(fā)出極亮的光，可以照亮它所在的整個星系，這種爆炸被稱為超新星爆炸。有時候，超新星爆炸會形成中子星或黑洞。如果超新星爆炸形成夸克星，則其發(fā)出的亮度應該是一般的超新星爆炸的亮度的100倍左右。根據(jù)這些特性，也許能夠發(fā)現(xiàn)隱藏的夸克星。

當然，對夸克星的了解對于尋找夸克星是十分重要的。有的科學家在研究極高密度下物質的變化，借此了解夸克星等致密星中物質的性質；有的科學家借大型強子對撞機了解中子星的性質以進一步確定夸克星性質。

同時，夸克星的搜尋還得寄希望于太空中的探測器。2017年6月，美國宇航局向國際空間站發(fā)射了“中子星內部成分探測器”，用于研究中子星。借助該探測器，科學家可以研究中子星的光譜，確定中子星的質量半徑比。對中子星的進一步了解也許能夠指明尋找夸克星的方向。

另一個探測計劃將于2025年啟動，是中國的“增強型X射線時變與偏振天文臺”研究計劃，它是專門用來觀察X射線波段電磁波的空間天文臺。借助這個天文臺，科學家可以探測中子星、黑洞，也許還有夸克星的X射線輻射隨時間變化的變化，并探測在強引力場、強磁場、高密度條件下，天體的基本物理規(guī)律。這項計劃將致力于黑洞、中子星、夸克星的觀測。

人類能找到夸克星嗎？不確定。如果它真的存在，我們應該能找到。但需要耐心，引力波從提出到成功探測到經(jīng)歷了一整個世紀，再等等，說不定下一個世紀，夸克星就不再只是理論中的一個概念。