最近這一個(gè)月來，引力波可以說是有點(diǎn)紅得發(fā)紫：先是美國的LIGO和歐洲的VIRGO聯(lián)合搞發(fā)布會(huì)，公布了對(duì)又一個(gè)雙黑洞并合事件的聯(lián)合觀測；沒過幾天，引力波的相關(guān)研究又?jǐn)孬@了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。就在吃瓜群眾們的嘴都還沒擦干凈的時(shí)候，LIGO、VIRGO以及全球其他數(shù)十家天文機(jī)構(gòu)，又打算在10月16號(hào)這天一起搞個(gè)大新聞。
許多不明真相的圍觀群眾看到天文圈里嗨得熱火朝天，也紛紛興奮或者擔(dān)心起來，甚至有人最近問我“是不是發(fā)現(xiàn)外星人了！還是有小行星要撞地球了？”其實(shí)都不是！雖然新聞發(fā)布會(huì)的安排最近才被公之于眾，但是其實(shí)早在8月下旬，相關(guān)的傳言就已經(jīng)在天文圈里攪得滿城風(fēng)雨，那就是——“探測到了雙中子星并合輻射的引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體”。
要知道，以前測到的幾起引力波事件，統(tǒng)統(tǒng)都來自于雙黑洞系統(tǒng)。而黑洞最大的特點(diǎn)，顧名思義，就是黑，（如果不考慮量子效應(yīng)）我們是無法看到黑洞的。除去黑洞的“三根毛”，即質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷，黑洞摧毀了其他一切物質(zhì)的信息，只是純粹引力的一種具現(xiàn)。因而，在大部分情況下，雙黑洞的并合是不會(huì)有任何電磁波輻射的。雖然天文學(xué)家并不死心，每一次雙黑洞并合的引力波事件發(fā)生后，都會(huì)調(diào)集能利用的望遠(yuǎn)鏡資源，在各個(gè)波段上去曝光一番，可是每次都幾乎是一無所獲。
中子星則不同。它們是大質(zhì)量恒星死亡后留下的超致密殘骸，通常直徑不超過20千米，放在地球上甚至蓋不住一些大城市的市區(qū)，而其中容納的物質(zhì)質(zhì)量卻超過整個(gè)太陽。正因?yàn)槿绱酥旅?，?dāng)兩顆中子星相互繞轉(zhuǎn)且越靠越近時(shí)，也會(huì)像雙黑洞系統(tǒng)并合一樣向外輻射出引力波，能夠被地球上現(xiàn)有的引力波探測器捕捉到。然而，與黑洞不同的是，中子星有著一個(gè)實(shí)實(shí)在在的星體表面和自己的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
一般而言，大家普遍認(rèn)為，中子星有一個(gè)很薄的固態(tài)殼層，而在殼層底下是處于超流狀態(tài)的中子，更內(nèi)部的致密核心則可能存在更復(fù)雜的物質(zhì)形態(tài)，比如超子介子甚至自由夸克。聽上去是不是有點(diǎn)像生雞蛋，有著固態(tài)的蛋殼、液體的蛋清，還有粘稠怪異的蛋黃？還真別說，兩個(gè)中子星的并合，跟把兩個(gè)雞蛋對(duì)著磕在一塊兒，還真有那么點(diǎn)相似：雖然兩個(gè)雞蛋最終會(huì)融合在鍋里被煎成一個(gè)荷包蛋，但是在這個(gè)過程中難免會(huì)有蛋液飛濺；在中子星并合過程中，碰撞面上溫度升高、星體物質(zhì)被拋射出去，也是很正常不過的事情。這些溫度的變化、被高速噴射出去的物質(zhì)跟星際介質(zhì)相互作用，以及噴射物質(zhì)本身的物理變化，都會(huì)帶來豐富的電磁波輻射。因此，天文學(xué)家可以同時(shí)通過傳統(tǒng)天文學(xué)觀測手段和新興的引力波方法來共同研究雙中子星并合這一過程。
10月16日公布的大新聞，正是LIGO和VIRGO這樣的引力波探測器，與其他位于世界各地及太空中的傳統(tǒng)電磁波天文臺(tái)聯(lián)手，共同發(fā)現(xiàn)和觀測到了一起雙中子星并合事件。那么，通過觀測這樣的現(xiàn)象，又可以作什么呢？一個(gè)重要的應(yīng)用就是，幫助我們理解中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)！
早在1932年，為了解釋恒星能源問題（彼時(shí)人們還不知道核聚變的機(jī)制），蘇聯(lián)著名理論物理學(xué)家朗道（Lev Landau）便提出了中子星模型的雛形。在朗道完成這一工作時(shí)，人類還不知道中子的存在，他在論文中認(rèn)為質(zhì)子和電子可以形成一種束縛態(tài)，稱為雙子。同一年，查德威克（James Chadwick）發(fā)現(xiàn)了中子之后，人們才意思到，這種所謂的雙子其實(shí)就是中子，并且在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了更完善的中子星模型。
與中子星的概念被提出時(shí)相比，如今的粒子物理理論已經(jīng)經(jīng)歷了翻天覆地的變革：人們后來意識(shí)到哪怕質(zhì)子、中子也不是基本粒子，而是由更小的單位夸克構(gòu)成；關(guān)于基本粒子之間相互作用的模型，也從湯川秀樹（Hideki Yukawa）的“介子在核子之間傳遞核力”的模型，演化到了更根本的“膠子在夸克之間傳遞強(qiáng)相互作用”的量子色動(dòng)力學(xué)模型。在粒子物理這樣飛速的進(jìn)展的背景下，一個(gè)問題自然而然地產(chǎn)生了：我們?nèi)绾文苤涝谥凶舆€沒被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候就已經(jīng)被提出的中子星模型，在當(dāng)今的理論背景下，依然是正確適用的模型呢？換句話說，構(gòu)成這種超致密天體的物質(zhì)，會(huì)不會(huì)并非超流狀態(tài)的中子，而是其他更致密的穩(wěn)定狀態(tài)物質(zhì)？
傳統(tǒng)中子星模型與由自由夸克構(gòu)成的夸克星模型對(duì)比 （版權(quán) NASA）
無獨(dú)有偶，博德默（Arnold Bodmer）和威滕（Edward Witten）先后指出了一種可能性：在一定的能標(biāo)下，由上夸克、下夸克和奇異夸克這3味夸克組成的物質(zhì)可能是物質(zhì)最穩(wěn)定的存在狀態(tài)。而韋爾切克（Frank Wilczek）、格婁斯（David Gross）和波利策（Hugh Politzer）3人證明了量子色動(dòng)力學(xué)的漸近自由特性，即如果能量足夠高，夸克之間的相互作用就會(huì)變得越來越弱而處于一種接近自由的狀態(tài)。因?yàn)檫@項(xiàng)工作，3人獲得了2004年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
在這樣的背景下，夸克星的概念開始快速發(fā)展起來。與中子星不同，夸克星的物質(zhì)最小單元不再是中子、質(zhì)子，而變成了更基本的夸克?？淇诵桥c中子星在宏觀上也有諸多不同，比如夸克星比中子星更致密，同樣質(zhì)量下顯得更小，因而能達(dá)到的轉(zhuǎn)速也會(huì)更大，等等。
當(dāng)然，因?yàn)榱孔由珓?dòng)力學(xué)在低能標(biāo)下的非微擾特性，想要從根本上通過理論計(jì)算判斷中子星和夸克星或者其他的模型到底誰對(duì)誰錯(cuò)，是不可能的。在這樣的情況下，“中子星”反而成了一個(gè)完美的天然實(shí)驗(yàn)室，可以用來研究作為4種基本作用力之一的強(qiáng)相互作用。如果能通過天體物理觀測確定它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，無疑會(huì)極大地推動(dòng)人類對(duì)強(qiáng)相互作用的認(rèn)識(shí)。
想要區(qū)分不同的物態(tài)，其實(shí)只需要測出一些“中子星”的質(zhì)量和半徑即可，因?yàn)椴煌飸B(tài)的致密程度不同，質(zhì)量半徑關(guān)系也不同。然而不巧的是，因?yàn)椤爸凶有恰眰€(gè)頭太小，沒有辦法測到表面的熱輻射，同時(shí)又沒有任何原子譜線，這使得天文學(xué)家常用的測量恒星大小的辦法在它身上完全都不適用。一些間接的測量方法，精度又難以達(dá)到區(qū)分不同物態(tài)的要求，使得“中子星”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直懸而未決。
定量的方法一時(shí)難以實(shí)現(xiàn)，定性的方法就成為了人們獲得線索的關(guān)鍵。而雙中子星并合的引力波事件，以及對(duì)其電磁波對(duì)應(yīng)體的觀測，就能提供一些重要的線索。
在1998年，李立新和帕琴斯基（Bohdan Paczyński）提出了一個(gè)有趣的模型。在雙中子星并合噴射出的富中子環(huán)境下，會(huì)發(fā)生快中子俘獲過程，即一個(gè)原子核會(huì)不停得從周圍“取之不盡用之不竭”的中子環(huán)境里獲得中子，變成中子遠(yuǎn)多于質(zhì)子的越來越重的原子核。而隨著噴射物質(zhì)的膨脹，周圍環(huán)境中的中子數(shù)量也慢慢降低，使得快中子俘獲過程無以為繼。一段時(shí)間后，中子遠(yuǎn)多于質(zhì)子的這些不穩(wěn)定同位素便開始發(fā)生衰變，噴射物質(zhì)就好像變成了一座核反應(yīng)堆，在向穩(wěn)定同位素衰變的過程中釋放大量能量，溫度升高，放出光學(xué)、紅外的輻射。后人完善了這一模型，后來稱之為千新星、巨新星、李-帕琴斯基新星和并合新星，對(duì)其光變性質(zhì)和輻射波段等作了詳細(xì)的研究。
這一過程之有趣，不僅僅在于它完成了大量重元素的合成，其中就包括我們所鐘愛的金銀等貴重金屬，更重要的是，它對(duì)于中子星物態(tài)的限制有著重大意義。千新星能否發(fā)生的前提，就是快中子俘獲過程能否在雙中子星并合的噴射物質(zhì)中發(fā)生——換句話說，就是噴射物質(zhì)中是否包含足夠多的中子。對(duì)于除了殼層和內(nèi)核外幾乎都是中子的中子星而言，這當(dāng)然不是什么問題，對(duì)于物質(zhì)由夸克這樣更基本單元組成的夸克星則不然?？梢哉f，如果有千新星在并合后爆發(fā)，就會(huì)在很大程度上支持中子星模型；如果沒有，那得到支持的就會(huì)是夸克星模型。
從16日公布的大新聞來看，這次并合事件后觀測到了千新星爆發(fā)，得到支持的是已經(jīng)上了些年紀(jì)的中子星模型。
當(dāng)然，中子星并合過程必然是極端復(fù)雜的，并合過程中發(fā)生的豐富電磁輻射，很有可能會(huì)給天體物理學(xué)家?guī)砀鞣N各樣新的挑戰(zhàn)。一次單獨(dú)的觀測也很難從根本上解決“中子星”的內(nèi)部狀態(tài)這一問題。除了引力波及其電磁對(duì)應(yīng)體的觀測之外，我們還應(yīng)期待包括“天眼”在內(nèi)的射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)更多的脈沖星，通過最快轉(zhuǎn)動(dòng)周期、最大質(zhì)量等特征，來更加定量地區(qū)分各種各樣的“中子星”物態(tài)模型！
物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，天體物理也不例外，根據(jù)新的天文觀測結(jié)果不斷得完善已有的理論模型，也是我們求索的必經(jīng)之路。
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