當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星死亡，它的歸宿可能是中子星，或是能夠吞噬一切的黑洞——這是現(xiàn)代物理學(xué)界對恒星結(jié)局的主流認(rèn)知。然而，一項新研究正試圖挑戰(zhàn)這一觀點：一些天體物理學(xué)家認(rèn)為，在中子星和黑洞之間，可能還存在被稱作黑星（black star）或引力真空星（gravastar）的星體。
撰文 | Charles Q. Choi
翻譯 | 張克文
審校 | 吳非
當(dāng)一顆巨型恒星死亡時，它不會消失殆盡，而是坍縮、留下一個緊致的恒星遺骸。遺骸可能只有一座城市大小，由高密度的中子組成，因而被稱為中子星。在極端情形下，絕大多數(shù)理論物理學(xué)家都相信，死亡恒星會形成黑洞，它的中心是密度無窮大的奇點，引力強(qiáng)到連宇宙中最快的光都無法逃脫其束縛。而現(xiàn)在，一項新的研究正在試圖挑戰(zhàn)對恒星歸宿的認(rèn)識：在中子星和黑洞之間，可能還存在被稱作黑星（black star）或引力真空星（gravastar）的星體。如果這一設(shè)想成立，這意味著除了不會吞噬光線這一關(guān)鍵點以外，這些奇異的恒星尸體和黑洞幾乎一模一樣。
我們有眾多理由來尋找這樣的星體，因為黑洞的存在引起很多理論上的問題。比如，黑洞的奇點應(yīng)該是藏在名為事件視界的不可見邊界內(nèi)。把東西扔進(jìn)黑洞，一旦進(jìn)入事件視界，它就會永遠(yuǎn)消失。但這與另一項被長期珍視的物理定律相沖突，它認(rèn)為信息是無法被摧毀的，包括落入黑洞的物體所攜帶的信息。
在過去的二十年間，不含有奇點和事件視界的黑星及引力真空星模型被提出并有所發(fā)展，這在一定程度上回避了上述矛盾。但問題在于，這樣的星體是否真的會形成、如果形成它們是否會保持穩(wěn)定。在最新研究中，來自意大利國際高等研究院的理論物理學(xué)家Raúl Carballo-Rubio為黑星、引力真空星的存在提出了一種新穎的機(jī)制。
Carballo-Rubio研究了一種名為量子真空極化（quantum vacuum polarization）的奇特現(xiàn)象。亞原子粒子是如何運作的？對于這一問題，目前最好的理論來自量子物理，該理論表明現(xiàn)實是模糊的，這會限制人們對物質(zhì)基本單元性質(zhì)的了解。比如，我們永遠(yuǎn)無法在某一時刻同時知道一個粒子的位置和動量。這一不確定性的一個奇特結(jié)果就是“真空不空”，實際上真空是由不斷出現(xiàn)、湮滅的，名叫“虛粒子”的物質(zhì)填充的。
巨型恒星的坍縮會釋放巨大的能量，之前的研究發(fā)現(xiàn)這些虛粒子會被極化，或者是由它們自身的性質(zhì)形成特定的分布，與磁鐵的南極和北極類似。Carballo-Rubio通過計算發(fā)現(xiàn)，這些粒子的極化可以在即將死亡的巨型恒星的引力場中產(chǎn)生驚人的效應(yīng)，它們會形成相互排斥的場，而不是相互吸引。
根據(jù)愛因斯坦的廣義相對論，物質(zhì)和能量會造成時空的彎曲，形成引力場。行星和恒星平均來說擁有正能量，其形成的引力場應(yīng)該是相互吸引的。然而，當(dāng)虛粒子極化時，它們占據(jù)的真空平均下來可能會有負(fù)的能量，Carballo-Rubio 說“這樣彎曲的時空會和相排斥的引力場相聯(lián)系”。由此，黑洞的形成也受到了阻礙。（相類似的現(xiàn)象會導(dǎo)致較輕的恒星殘骸形成的是中子星而不是黑洞；它們的引力場還不足以使中子星坍縮成一個奇點。）
兩個先前的模型表明，相排斥的“引力”可能會阻止恒星遺骸坍縮形成黑洞。其中一項模型提出，恒星遺骸坍縮后的星體會由引力真空星取代，這是一種被量子真空填滿的星體，最外面由一層極薄的物質(zhì)覆蓋。另一項模型則認(rèn)為，坍縮的結(jié)果是黑星，在黑星中，“物質(zhì)和量子真空在星體的結(jié)構(gòu)中以一種精細(xì)的平衡交纏在一起”，Carballo-Rubio解釋說。這兩種星體都有能夠彎曲光線的強(qiáng)引力場，所以它們和黑洞一樣，看上去都是黑的。
Carballo-Rubio說，之前對于黑星和引力真空星性質(zhì)的認(rèn)識有很多不確定的地方。為了解決這些問題，他在最新的研究中構(gòu)造了新的數(shù)學(xué)模型，在描述恒星收縮和擴(kuò)張的方程中引入了排斥力的效果，他強(qiáng)調(diào)這是“一個只能在計算機(jī)幫助下處理的問題”。他的最新模型表明，黑星和引力真空星的混合模型是可能存在的，在這個星體中，物質(zhì)和量子真空存在于整個結(jié)構(gòu)中，但物質(zhì)更集中在球殼而不是球核中。這項研究發(fā)表于2月的Physical Review Letters期刊。
“這項工作十分有趣，同時很有價值，它表明了除了黑洞之外，愛因斯坦場方程還有其他解。”來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學(xué)家Emil Mottola說。
然而，有一些研究者認(rèn)為Carballo-Rubio研究中的量子效應(yīng)是可以忽略的。如果這樣，其效應(yīng)會很弱，不足以支持黑星和真空引力星的存在。來自羅馬大學(xué)的理論物理學(xué)家Paolo Pani評價道。
除此之外，Carballo-Rubio的工作主張黑星和引力真空星在數(shù)學(xué)上是可以存在的，“這并不代表它們會在自然界中存在，”來自巴西ABC聯(lián)邦大學(xué)的Cecilia Chirenti說。比如，Pani提到，現(xiàn)在還不清楚恒星遺骸是否能夠自然地演化出那些結(jié)構(gòu)。Mottola補(bǔ)充道：“Caballo-Rubio沒有解釋為什么他得出的解是穩(wěn)定的，以及是什么阻止其繼續(xù)坍縮形成黑洞?！?/span>
尋找黑星、引力真空星和黑洞是否存在的方法之一，是分析由科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)并被解釋為黑洞合并的引力波信號。當(dāng)物體運動時，就會產(chǎn)生以光速運動的引力波，沿著傳播方向拉伸、壓縮時空。
Pani介紹說，當(dāng)黑洞相互繞著旋轉(zhuǎn)，就會發(fā)射引力波，但是它們的事件視界應(yīng)該吸收掉直接落向它們的波。但是，黑星和引力真空星沒有事件視界，它們可以反射引力波，LIGO和VIRGO聯(lián)合探測器應(yīng)該可以探測到這些“回聲”。如果這樣的信號得以被發(fā)現(xiàn)，會給廣義相對論和量子物理注入新的洞見、推動“量子引力”模型的建立，將兩個長期分離的理論結(jié)合在一起。
原文鏈接：
https://www.scientificamerican.com/article/black-hole-pretenders-could-really-be-bizarre-quantum-stars/
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