[科普中国]-夸克星

简介

夸克星是由奇夸克物质组成，是一种假设的星体。理论上，奇夸克物质（简称奇物质）是在特别重的中子星里形成的密度极端高的一种物质状态。根据此理论，当构成中子星的中子因为受到本身重力塌陷的高度压缩，个别的中子会因此崩坏，组成中子的夸克会分离开来，进一步转化成奇夸克，也就是“奇物质”。这时的星体就是直接由奇夸克紧密结合在一起所构成的“夸克星”或是“奇物质星”（简称“奇星”），整个星体几乎就是单一的一颗巨大的中子（对比来说，白矮星只是密集的原子核，而中子星就可以看作是一个巨大的原子核（中子团），夸克星就是一个巨大的中子，黑洞就是一个理论上的奇点，体积为0）。以重量和密度来分类，夸克星是介于黑洞和中子星之间，如果再有足够的物质加入夸克星里，它之后会再继续收缩塌陷而成为黑洞。

夸克星模型以夸克水平为基础的星体在理论模型上至少有三种，“奇异夸克星”、“孤子星”及“玻色星”1。

奇异夸克星“奇异夸克星”是科普文章通称的“夸克星”，成分以奇异物质为主，主要建立在威滕假说上，专业学者文章多以“奇异星”来区分其差异，强调出其为奇异物质所组成的夸克星，由于“奇异星”有时会跟“奇特星”（Exotic star）发生混淆，而“孤子星”及“玻色星”本身都有专有名词，故一般称“夸克星”系指“奇异夸克星”，而专业研究者之间因为有共通语言，因此学术论文中则大多以“奇异星”来避免泛指所有类型的夸克星。

“奇异夸克星”在“希格斯玻色子”的能阶确认以后，是否能够称为“夸克星”已经开始形成一个重要的疑问，希格斯玻色子的能阶明显导致“奇异夸克星”不是单纯地由“奇异物质团”所构造成的，原有的理论需要大幅度进行修正。其次，质子大小的实验数据，导致原有夸克星的短距力计算需要全部重新推导，新的物态方程尚未有任何研究报告发表。

孤子星“孤子星”（Soliton Star）以诺贝尔奖得主李政道所推出的“非拓朴性孤子”（Non-topological soliton, NTS）为理论基础（拓朴性孤子的模型目前有Skyrmion），主要是以纯粹“费米子”具有孤子波性质的“孤子”来组成夸克星，被认为是“暗物质”的最佳候选者。由于宇宙间有95%以上的物质属于暗物质（26.8%）或暗能量（68.3%），孤子星为暗物质的最佳候选者，“孤子星模型”则在天体物理学当中形成一大门派，在宇宙学上是非常重要的一个分支，解释了宇宙间观测到的质量遗失问题。

玻色星“玻色星”则为以纯粹玻色子来组成夸克水平的星体（复合玻色子），由于普通的星体一般是以费米子为主的重子所组成，星爆不能供应足够的玻色子，玻色星被认为不能由星爆产生，而是由大爆炸时期所遗留下来的暗物质，或是存在于星系核当中作为“巨质量玻色星”。因为希格斯玻色子的加入，“巨质量玻色星”应该是最常见的形式，星系核在这一理论当中被认为是玻色星而非黑洞所组成的，此即为“银河中心星系核是由暗物质所组成”的说法来源，此一说法比“银核是由黑洞所组成”更加合理，矛盾较少，同时作为星系核的玻色星无法任意被制造出来，也是观测当中没有见过黑洞吸聚物质因而产生婴儿银河的合理解释。玻色星的性质相当奇怪，活动模式也非常多样化，许多人关注的黑洞、孤子星、夸克星及重力真空星的活动与玻色星相较之下可说堪称无聊至极，由此可见玻色星具有很高的研究价值。

另外还有一些理论尚不成熟的部分类型夸克星模型推出，例如：“裸奇异星”、“混杂态夸克星”与“夸克行星”。

黑星有些观点认为，作为黑洞替代方案最佳选择之一的黑星（Black star）：“重力真空星”，其真空极化外壳组成成分因为是透过玻色爱因斯坦凝聚态所产生的，由于大部分天体都是由重子所组成的，而重子的成分是由夸克所组成的，因此天体坍缩后形成的重力真空星也应该是夸克所组成的，所以“重力真空星”应该也是属于夸克星的一种类型，不过“重力真空星”并未推导出其内部实际组成物质。

此外“重力真空星”虽无奇点，但是却有一个类似“事件地平面”的“拟事界”，星体活动近似于黑洞，使得外部观测者没有任何手段来区分重力真空星与黑洞的差别，要透过观测来证明其组成物质为夸克，存在巨大的技术难度，难以提供确切证据说明理论的正确性，此外理论中隐含使用了“时间量子”（chronon）的维度紧化，用以解释致密星的时间停滞现象与坍缩空间壁的产生过程，而“时间量子”在物理实验中尚未被发现，因此要说服大部分天体物理学家做此归类，恐怕还需要更多的理论推导与实验观测。

结构组成夸克星的结构其实很简单，不像中子星那样分为很多层，其密度分布大致为常数。只要质量不是太大，夸克星中心密度不到表面密度的两倍，且面密度会在约1fm的尺度上速降为零。这是由于整星体是强相互作用约束的体系，夸克由于色禁闭效应可能逃离表面太远。星体内部除了夸克之外还存在电子。因电子只受比强相互作用弱得多的电磁约束，所以它们分布比较弥散，在夸克表面之外有一定延伸。因有夸克和电子保持电中性，这样就不可避免地在夸克表面形成很强的电场。这一强电场的存在将一定程度上阻碍原子核与夸克物质之间的强作用，从而使得夸克星表面以上撑起一个最大质量约10E（-6）倍太阳质量的壳层。如果夸克星果真具有这样一个壳层，那么它的辐射特征包括热辐射和非热辐射将与中子很难区分。然而，因夸克星诞生时具有强大的中微子光子辐射场，且拥有强磁场并快速自转，一般情况下很难形成这种壳层。没有壳层、表面直接裸露于星际空间的奇异星称为裸奇异星。裸奇异星表面粒子具有强的束缚能；而脉冲星某些射电辐射特征可能表明表面粒子束缚能远比中子星高。如果进一步认为其内部的夸克物质呈现固态，那么这种固体裸奇异星的表面辐射特性或许应该类似于金属，电子处于连续态。至今没有明确探测到原子谱线可能就反映了这一属性。固态奇异星类似刚体，可以表现出长期进动。另外，当固态奇异星内部应力积累到一定程度时或许发生应力迅速释放,从而导致星震。固态奇异星星震会导致两种后果：转动惯量的突然改变和能量包括弹性能和引力能等的快速释放。前者可能与观测到的自转突跳glitch有关，而后者可以解释一类天体（软γ射线重复暴）巨大高能射线耀斑现象。

黑暗物质说某些学说认为“奇物质”可能就是暗物质。

夸克星仍只是理论上的假设星体，尚未获得证实，但是在2002年4月10日由钱德拉X射线天文台所观测到的两个星体，RXJ1856和3C58，则被认为可能是夸克星。在这之前，这两个星体一直被认为是中子星。根据已知的物理定律，如果它们确实是中子星，那么RXJ1856似乎过小，而3C58则是过冷，以此推论这两个星体应该是由比中子星密度更高的物质所构成。一些学者则认为这些观察结果仍不足采信。至于夸克星是否真的存在就要看未来这些研究成果是否能够获得普遍的接受和证实。

RXJ1856，3C58两颗古怪的星星，一颗太老，一颗太小，全不符合已知的天文学模式，为全新物质 的存在提供了证据。科学家相信，这两颗怪星不可能由原子，甚至亚原子微粒———中子构成，而可能是由亚亚原子微粒夸克 构成。这两颗怪星发出的高强度的X光线引起了美国宇航局(NASA)的钱德拉X光天文台的注意，最初，科学家们以为它们可能是中子星，在证实夸克星存在之前，中子星是为人类所知的密度最大的恒星残骸。大恒星发生超新星爆发后，它们的核心聚 变形成中子星。中子星有无法想像的超密度：一茶匙中子星物质重达20亿吨，或者说相当于全世界汽车的总重量。这是因为 它们是由紧挨着的中子构成的，而地球上的物质由包含中子、质子和电子的原子构成，中间有大量空隙。天文学家们相信，这 两颗新星的密度可能超过中子星。构成中子星的中子夸克排列稀松，被称为受限夸克。而两颗怪星可能是由紧贴排列的自由夸克构成，它们比受限夸克少占空间。如果天文学家的猜想被证实，它们将是最先被发现的夸克星，之前，夸克星还只 存在于科学家的理论中。(BUZZ)

怪星1：体积太小引起科学家关注的怪星之一体积非常小。哈佛—史密森尼亚中心的星际物理学家杰瑞米·德拉克(JeremyDrake) 说：“到目前为止，我们一直力图从最细微的层次理解自然，这其中包括深入发掘物质的细节。最新的观察结果可能打开了通 向自然界最微小结构的窗口。”南冕座星群的一个代号RXJ1856的物体引起了德拉克和他的研究小组的注意。RXJ1856 距离地球大约400光年(1光年=光一年穿行的距离，约相当于6万亿英里)天文学家最初以为，这是一颗中子星，但当他 们用钱德拉天文台和哈勃太空镜进一步观测后，发现怪星的直径不超过10英里，低于中子星的最低标准(直径12—20英 里)。德拉克说，对体积这样小的星星解释只能是一颗中子星压缩直到产生自由夸克，形成夸克星。

怪星2：老得出奇第二怪星则出奇地老，它位于仙后座星群，代号3C58，距离地球约1万光年。研究这颗老怪星 的哥伦比亚大学天文学家大卫·赫范德(DavidHelfand)说：“早在1181年，亚洲天文学家记载了它的超新 星爆发，如果以中子星标准推算，天文学家估计，今天它应该冷却到3560万摄氏度，但事实上，它只有大约100万摄氏 度，这对于中子星而言太冷了。”赫范德认为，即使以中子星的密度也不能以足够快的速度挤压出微粒，达到如此迅速冷却， 3C58必须有5倍于中子星的密度。“根据我们的观测推断，它的核心是由陌生的新材料构成的。”

“夸克星”研究显示，有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时，密度大增会把夸克挤出来，最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大，但仍会发光。

夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见，认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合得很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。

戴阿科诺夫预测1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由五个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50%。2001年，日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的，它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。

郑广生观点2009年，香港大学的郑广生等人在著名的arxiv网站上发表文章，提出163000光年外大麦哲伦星云的SN 1987A可能不是中子星，而是天体物理学家们苦苦寻觅的夸克星，这种奇异物质将为我们透露关于早期宇宙的信息。

产生途径天文学家宣布，一种罕见的高光度恒星爆发可能已导致了新型物质的产生，即通常所说的夸克星。而夸克星的存在与否，若存在其生成过程又是怎样，都会是天文学的重大课题。

在有记录的3个异常光度超新星的爆发中，有一个是加州理工学院帕洛马天文台的机器人望远镜首次观测到的。根据其观测报告并与之前数据综合，加拿大天文学家指出，这3个超新星每一个亮度都是常规超新星的100倍，其爆发意味着一个之前没有观测到的新物体的产生。天文学家进而分析说，3个超新星中的每一个都可能是由中子星爆发转换成为夸克星的。

夸克星的重量和密度介于中子星与黑洞之间，如有更多物质加入引发坍缩，则最终能形成黑洞，甚至有专家认为其与暗物质关系密切。但只有进一步的观察才能对夸克星的假设作最后推论，下一步，天文学家将启用高速计算无线宽频研究与教育网来传送研究数据，以期用最高科技来接近夸克星的真实面目。

发现迄今传统观点一直认为夸克星的尺寸应该比中子星小。这看上去似乎是合理的，因为夸克星是在中子星的基础上进一步坍缩而成的，这使得其中的物质会变得更加致密，于是占用的体积就会减少。但根据一个由德国、瑞士和美国科学家组成的国际合作小组的最新计算，夸克星实际上可能会比它们的表兄中子星大。但这怎么可能呢？

这些复杂的计算牵涉到中子星和夸克星的“状态方程”，它描述了组成这两类天体的物质本身的性质。他们的计算结果显示，一颗质量为太阳2.5倍的夸克星会比质量为太阳2倍的中子星要来得大。

这一发现对于寻找潜在的夸克星而言是非常有趣的。如果天文学家发现了一颗具有2.5个太阳质量的大型中子星的话，也许他们真正看到的其实是一颗夸克星。

一旦发现了夸克星，它不仅对于天文学家而言具有重要的意义，对于在欧洲核子中心工作的物理学家而言也是如此，他们可以借此获得自然产生的“奇异夸克物质”的大量信息。虽然大型强子对撞机可以制造出高温“夸克胶子等离子体”，但实验室里至今还无法制造出奇异夸克物质，所以夸克星的发现将会惠及天体物理学家和粒子物理学家。2