浩瀚宇宙中尋覓夸克星

岳棠

在物理學(xué)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(yùn)了，迄今為止仍然只是理論，夸克星就是其中之一。

20世紀(jì)60年代，有科學(xué)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(shí)夸克星的存在。但科學(xué)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(gè)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(dāng)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(zhì)量，在物理學(xué)上，一般以太陽的質(zhì)量來衡量其他恒星的質(zhì)量。

如果一顆恒星燃燒后的最終質(zhì)量小于1.4個(gè)太陽質(zhì)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(xué)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(nèi)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(dāng)一個(gè)4～8個(gè)太陽質(zhì)量的恒星燃燒殆盡，只剩下個(gè)1.4～2倍左右太陽質(zhì)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(zhì)在地球上重10億噸。中子星沒有繼續(xù)坍塌的原因是其內(nèi)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(xué)家預(yù)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(zhì)量的恒星最終會坍縮成黑洞。

但有科學(xué)家認(rèn)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?？淇诵堑男纬墒且?yàn)檫@種恒星太大了，在燃燒殆盡后，還有2倍以上的太陽質(zhì)量。由于質(zhì)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(gè)中子包含1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克）?？淇酥g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(xué)家推測，夸克星有一層外殼，很可能由中子物質(zhì)組成，沒有內(nèi)核，且夸克星內(nèi)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(zhì)量在一定的范圍內(nèi)（雖然這個(gè)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?dú)出現(xiàn)，至少到目前為止，科學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)過單獨(dú)存在的夸克，單夸克很有可能并不存在，它們一定要“抱團(tuán)”形成其他諸如中子、質(zhì)子的粒子，因此夸克星很可能不能長時(shí)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(shí)間保持，也許在我們還沒來得及探測到它時(shí)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(xué)家估計(jì)，在銀河系中應(yīng)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(xué)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(zhì)物理性質(zhì)的不夠了解也是一大障礙。除此之外，在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室中所能提供的溫度、密度的10億倍?？茖W(xué)家另辟蹊徑，嘗試用粒子對撞機(jī)制造夸克物質(zhì)，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(zhuǎn)化為其他物質(zhì)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(xué)家認(rèn)為，夸克星的旋轉(zhuǎn)方式應(yīng)該與中子星不同。另外，夸克星的密度應(yīng)該比中子星大。在恒星演化過程中，某些恒星在演化末期時(shí)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(gè)星系，這種爆炸被稱為超新星爆炸。有時(shí)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(yīng)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(dāng)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(xué)家在研究極高密度下物質(zhì)的變化，借此了解夸克星等致密星中物質(zhì)的性質(zhì)；有的科學(xué)家借大型強(qiáng)子對撞機(jī)了解中子星的性質(zhì)以進(jìn)一步確定夸克星性質(zhì)。

同時(shí)，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(nèi)部成分探測器”，用于研究中子星。借助該探測器，科學(xué)家可以研究中子星的光譜，確定中子星的質(zhì)量半徑比。對中子星的進(jìn)一步了解也許能夠指明尋找夸克星的方向。

另一個(gè)探測計(jì)劃將于2025年啟動，是中國的“增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振天文臺”研究計(jì)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(gè)天文臺，科學(xué)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(shí)間變化的變化，并探測在強(qiáng)引力場、強(qiáng)磁場、高密度條件下，天體的基本物理規(guī)律。這項(xiàng)計(jì)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(yīng)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(gè)世紀(jì)，再等等，說不定下一個(gè)世紀(jì)，夸克星就不再只是理論中的一個(gè)概念。