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LIGO已經(jīng)探測(cè)到4次雙黑洞并合事件。那它到底能不能探測(cè)到雙中子星的并合事件呢？圈內(nèi)已經(jīng)定下賭約，以一瓶好酒為注。只是不知這次是否會(huì)再帶來(lái)一枚諾獎(jiǎng)。
這是知社引力波天文學(xué)系列第三篇。Rainer Weiss, Ronald Drever, 和 Kip Thorne窮盡幾十年的精力推動(dòng)LIGO，終于成功探測(cè)到引力波。而在中國(guó)，也有這樣一位學(xué)者，南仁東先生，二十余年來(lái)一直推動(dòng)世界最大口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST的建設(shè)。如今FAST建成，南先生卻離開(kāi)了我們。
FAST會(huì)揭開(kāi)“宇宙燈塔”的什么樣的神秘面紗呢？ 和LIGO一起，又會(huì)給我們展示什么樣的曼妙風(fēng)景？知社特約國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域一線年輕學(xué)者撰寫引力波天文學(xué)之系列刊發(fā)，以饗讀者。
特別聲明：本系列科普文章都是相關(guān)學(xué)者基于他們將要申請(qǐng)、正在執(zhí)行、或者已經(jīng)結(jié)題的國(guó)家自然科學(xué)基金委支持的《國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目》發(fā)展出來(lái)的，版權(quán)歸作者所有。
揭開(kāi)“宇宙燈塔”的神秘面紗——真的是中子星嗎？｜引力波天文學(xué)之三
來(lái)小禹 徐仁新
位于貴州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村的大窩凼洼地，近年來(lái)儼然成了一處旅游勝地，因?yàn)槟抢镒渲澜缟献畲蟮膯慰趶酵h(yuǎn)鏡：500米口徑球面射電天文望遠(yuǎn)鏡（英文縮寫為FAST）。這座凝聚了無(wú)數(shù)科學(xué)家和工程師的心血和汗水的巨大“天眼”，從提出設(shè)想到建成啟用歷經(jīng)22年。那么它究竟是用來(lái)干什么的呢？不同于利用光學(xué)玻璃作為“眼睛”的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，F(xiàn)AST接收的是射電信號(hào)，其原理類似于收音機(jī)接收電臺(tái)廣播，而它的“電臺(tái)”則在遙遠(yuǎn)的宇宙中。
FAST有若干個(gè)科學(xué)任務(wù)，而其中一個(gè)非常重要的任務(wù)就是接收來(lái)自一種被稱為“脈沖星”的天體所發(fā)出的信號(hào)。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，脈沖星和本文題目中的“中子星”其實(shí)指的是同一種東西。脈沖星這個(gè)稱呼是從觀測(cè)角度取的名字，例如用FAST去看它時(shí)，看到的是間隔規(guī)則的射電脈沖信號(hào)。這種信號(hào)產(chǎn)生的原因，是脈沖星的自轉(zhuǎn)軸與磁軸不一致 ——這一情形與我們的地球一樣，都具有磁偏角——而射電輻射順著磁軸連續(xù)地發(fā)射出來(lái)。所以隨著脈沖星的自轉(zhuǎn)，它發(fā)出的射電輻射在宇宙中持續(xù)地掃過(guò)一片區(qū)域。如果地球恰好位于這一區(qū)域中，我們就能接收到間隔規(guī)則的射電信號(hào)，這一間隔當(dāng)然就是它的自轉(zhuǎn)周期，往往只有一秒左右，有些只有幾毫秒（即一秒鐘可以轉(zhuǎn)超過(guò)數(shù)百圈）。正是這一原因，脈沖星被稱為“宇宙燈塔”。
人們形象地稱脈沖星為“宇宙燈塔”，其輻射束類似于航海的燈塔（圖片取自網(wǎng)絡(luò)）
中子星這個(gè)稱呼則是從理論角度取的名字，來(lái)源于人們對(duì)脈沖星內(nèi)部成分的一種猜測(cè)。盡管有前面兩篇文章的鋪墊，但中子星這一名詞對(duì)于沒(méi)有受過(guò)天文教育的廣大民眾可能比較陌生。確實(shí)，中子星的知名度遠(yuǎn)不及它的“手足兄弟”——黑洞。從電影《星際穿越》到去年LIGO首次發(fā)現(xiàn)雙黑洞并合的引力波信號(hào)，黑洞這一名詞可謂婦孺皆知。相比死氣沉沉的黑洞，中子星本身就具有非常豐富的現(xiàn)象，例如單個(gè)中子星會(huì)發(fā)出包括射電信號(hào)在內(nèi)的各種電磁波信號(hào)，而雙中子星系統(tǒng)里的兩顆中子星發(fā)生并合時(shí)不僅會(huì)產(chǎn)生更豐富而極端的電磁現(xiàn)象（例如上篇文章介紹的伽馬射線暴），也可能產(chǎn)生可被探測(cè)到的引力波信號(hào)。
FAST觀測(cè)脈沖星的重要科學(xué)意義之一，在于幫助天文學(xué)家研究中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即致密物質(zhì)的狀態(tài)方程。如果LIGO能成功探測(cè)到兩顆中子星并合的引力波信號(hào)，也有望幫助人們更好地理解中子星的狀態(tài)方程。從脈沖星發(fā)現(xiàn)至今的半個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家們從電磁波信號(hào)中苦苦尋找蛛絲馬跡來(lái)探索中子星的狀態(tài)方程，但目前仍然沒(méi)有定論。如今，引力波信號(hào)能否助我們一臂之力來(lái)揭開(kāi)“宇宙燈塔”的神秘面紗？我們拭目以待吧。下面，就讓我們說(shuō)說(shuō)什么是中子星，以及為什么天文學(xué)家關(guān)心中子星的狀態(tài)方程。
中子星的前世今生
我們晴朗夜空中的繁星點(diǎn)點(diǎn)，絕大多數(shù)都是恒星。恒星因自身核聚變而發(fā)光發(fā)熱，這些熱量使得恒星穩(wěn)定存在——這種穩(wěn)定狀態(tài)其實(shí)是一項(xiàng)了不起的壯舉，表明恒星在強(qiáng)大的引力面前表現(xiàn)得鎮(zhèn)定自若——我們的太陽(yáng)就是如此。
在人們眼中恒星幾乎是永恒不變的，但其實(shí)恒星也有壽命，只是這個(gè)壽命與人類文明歷程相比太長(zhǎng)了。當(dāng)恒星內(nèi)部的能源消耗殆盡之后，恒星就“壽終正寢了”，這時(shí)就好像一幢房子突然失去了支柱而向下倒塌一樣，整個(gè)恒星會(huì)向中心收縮，使它收縮的力量就是無(wú)處不在的“上帝之手”——引力。收縮到什么程度，取決于恒星的質(zhì)量有多大，因?yàn)橘|(zhì)量越大引力越強(qiáng)，星體會(huì)收縮得越小。
如果恒星的質(zhì)量大到好幾十倍太陽(yáng)質(zhì)量，引力就勢(shì)不可擋，橫掃一切，任何物質(zhì)也在劫難逃，通通被擠進(jìn)黑洞；如果恒星的質(zhì)量比較大但是還不夠大（當(dāng)然必須遠(yuǎn)大于太陽(yáng)的質(zhì)量），引力最后還是會(huì)被某些力量抵擋住、而取得階段性的勝利，成功地將一顆巨大的恒星壓縮為一顆半徑十幾公里的無(wú)比結(jié)實(shí)的球，并且這一過(guò)程會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一種劇烈的天文現(xiàn)象——超新星爆發(fā)。被壓縮之后的物質(zhì)已經(jīng)完全不同于普通的物質(zhì)了，這就是中子星。順便提一下，我們所熟悉的太陽(yáng)是恒星家族中的“小個(gè)子”，它不會(huì)變成中子星，更不會(huì)變成黑洞，它的結(jié)局是一種與地球差不多大小、稱為白矮星的天體。
白矮星、中子星、黑洞示意圖（圖片取自網(wǎng)絡(luò)）
如果一顆恒星的宿命是中子星，那么當(dāng)它燃盡最后的生命之火后，引力到底能將它擠壓得多結(jié)實(shí)？從數(shù)值上看，中子星的平均密度為水的密度的百萬(wàn)億（1后面寫14個(gè)零）倍以上；也就是說(shuō)，從中子星內(nèi)部取出指甲大小的物質(zhì)，能有1億多噸重。為了更直觀地說(shuō)明中子星多么致密，我們先說(shuō)說(shuō)我們所熟悉的物質(zhì)多么稀疏。
普通的物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，而原子是由中心的原子核和繞原子核運(yùn)動(dòng)的電子組成的。整個(gè)原子的質(zhì)量都集中在原子核上，電子不僅質(zhì)量可以忽略，也幾乎沒(méi)有體積，即使有的話也比原子核小得多。原子核非常非常小，如果把原子的橫截面積當(dāng)作中國(guó)的國(guó)土面積，原子核只相當(dāng)于邊長(zhǎng)幾十米的操場(chǎng)——也就是說(shuō)，原子幾乎是“空”的。普通物質(zhì)中的原子和原子之間幾乎不重疊，這樣看來(lái)，所以普通物質(zhì)中的原子核周圍有大量的空間，相當(dāng)于方圓一百公里只有一個(gè)人那樣稀疏。
我們?nèi)粘Ｉ钪兴煜さ奈镔|(zhì)都是非常“空”的。
如果將這些“真空”都擠掉，就制造出中子星內(nèi)部的物質(zhì)了。
那么，中子星內(nèi)部的物質(zhì)多么致密呢——其致密程度相當(dāng)于一個(gè)個(gè)原子核緊挨著一起，也就是說(shuō)每個(gè)原子核周圍的空間都被其它原子核填滿了?？墒牵娮优艿侥睦锶チ四?？這樣豈不是沒(méi)有電子的容身之地了？對(duì)，確實(shí)是這樣！普通的原子含有電子，因?yàn)樵雍耸菐д姷模ㄔ雍酥邪|(zhì)子和中子，而質(zhì)子是帶正電的），所以需要帶負(fù)電的電子來(lái)使得整個(gè)原子為電中性的；中子星內(nèi)部幾乎所有質(zhì)子都變成了中子，而中子是不帶電的（中子的字面意思就是電中性粒子），也就不需要電子來(lái)保持整體電中性了。中子星這一名字就是這樣來(lái)的。
何為中子星“狀態(tài)方程”？
作為FAST的重要觀測(cè)目標(biāo)的中子星，其狀態(tài)方程（equation of state）是天文學(xué)家非常關(guān)心的問(wèn)題。為了讓大家更好地了解中子星狀態(tài)方程的意義，我們先談?wù)劇盃顟B(tài)方程”這一概念。
我們最早接觸到“狀態(tài)方程”這個(gè)詞應(yīng)該是在中學(xué)物理課上學(xué)習(xí)理想氣體性質(zhì)的時(shí)候，有時(shí)也叫“物態(tài)方程”，就是用一個(gè)簡(jiǎn)單的方程表達(dá)理想氣體的壓強(qiáng)、密度和溫度這三個(gè)量之間的關(guān)系：例如，假設(shè)氣體密度不變，升高氣體的溫度會(huì)導(dǎo)致氣體壓強(qiáng)增大。其實(shí)，天文學(xué)家所說(shuō)的中子星“狀態(tài)方程”也是這個(gè)意思，即一個(gè)表達(dá)中子星內(nèi)部物質(zhì)的壓強(qiáng)、密度和溫度這三個(gè)量之間關(guān)系的某一方程。
狀態(tài)方程看起來(lái)也沒(méi)什么深?yuàn)W的，那么科學(xué)家為什么關(guān)心它呢？包括中子星在內(nèi)的星體，其內(nèi)部壓力與引力達(dá)到平衡時(shí)才能穩(wěn)定存在；不知道物質(zhì)的壓強(qiáng)（即狀態(tài)分成）就不能定量地刻畫星體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
狀態(tài)方程反映了構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子是什么、以及這些微觀粒子之間的相互作用具有什么性質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，得到狀態(tài)方程有兩種方式，一種是做大量實(shí)驗(yàn)之后總結(jié)出來(lái)，例如理想氣體狀態(tài)方程最初就是這么得到的；另一種是通過(guò)理論計(jì)算推導(dǎo)出來(lái)，例如我們也可以算出理想氣體的狀態(tài)方程。后一種方式看上去比較牛，但是前提是需要預(yù)先知道構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子及其之間的相互作用（理想氣體是最簡(jiǎn)單的物質(zhì)，實(shí)際的物質(zhì)都會(huì)涉及比較復(fù)雜的相互作用），并且往往需要繁雜的計(jì)算。
即使由同一種微觀粒子構(gòu)成，如果這些微觀粒子之間相互作用性質(zhì)不同，也會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)具有不同的特征。比如，鉆石和鉛筆芯都是由碳原子構(gòu)成的，但這兩者的差別顯然太大了；再比如，我們杯子里的水是由水分子構(gòu)成的，但是冰塊和水蒸氣同樣也是由水分子構(gòu)成的。水蒸氣中的水分子之間相互作用最小，所以呈現(xiàn)為氣態(tài)；液態(tài)水中的水分子之間相互作用更強(qiáng)一些；冰中的水分子之間相互作用更強(qiáng)，導(dǎo)致水分子被固定住了，不能自由移動(dòng)，形成了硬硬的冰塊。
水分子由氫原子和氧原子組成。水具有固、液、氣三種狀態(tài)（圖片取自網(wǎng)絡(luò)）
回到正題。既然中子星以中子為主構(gòu)成，那么它的狀態(tài)方程是什么呢？通過(guò)上一節(jié)的描述，我們可以把中子星想象成一個(gè)幾乎完全由中子構(gòu)成的巨大的原子核，那么我們就可以借鑒已有的核物理知識(shí)來(lái)研究中子星了。事實(shí)上，上世紀(jì)的前五十年人們?cè)谖⒂^物理學(xué)領(lǐng)域取得的最重要成果（沒(méi)有“之一”）就是核與粒子物理方面的進(jìn)展，所以科學(xué)家對(duì)于原子核的性質(zhì)還是非常了解的。中子星內(nèi)部的中子大部分處于“超流態(tài)”，形象的描述就是這些中子處于“液態(tài)”并且可以毫無(wú)阻撓地流動(dòng)。基于一些基本假設(shè)和核物理的知識(shí)，中子星的狀態(tài)方程，即壓強(qiáng)、密度和溫度之間的關(guān)系，是可以推導(dǎo)出來(lái)的。
需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，中子星內(nèi)部的密度隨著深度的增加而遞增，也就是說(shuō)中子星越接近表面密度越低。所以雖然中子星內(nèi)部大部分是中子，但是具體的組成成分會(huì)隨著深度的不同而改變。由中子構(gòu)成的物質(zhì)為星體的主體，這部分稱為中子物質(zhì)區(qū)；在此之外有一層既有原子核又有自由中子，稱為中子星的內(nèi)殼層；接近表面時(shí)，會(huì)有一些地方密度太低而無(wú)法將中子從原子核中“擠”出來(lái)，此時(shí)的物質(zhì)就和由原子構(gòu)成的普通物質(zhì)沒(méi)有兩樣，這個(gè)部分稱為中子星的外殼層，并且往往是固態(tài)的。中子星表面可能還存在一個(gè)非常薄的大氣層。中子星核心密度高，其成分至今尚無(wú)定論。
中子星結(jié)構(gòu)
總體來(lái)講，對(duì)于一顆半徑為十公里的中子星，其固態(tài)的外殼層厚度大約只有三百米，而內(nèi)殼層及以下都包含超流中子，這樣看來(lái)中子星就像一只生雞蛋。依據(jù)核物理的知識(shí)原則上可以得到中子物質(zhì)和內(nèi)殼層的狀態(tài)方程，而通過(guò)對(duì)比普通物質(zhì)的性質(zhì)可以得到外殼層的狀態(tài)方程。
中子星真的“名副其實(shí)”嗎？
講到這里，中子星的故事是否講完了？不，遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。上一節(jié)說(shuō)過(guò)，科學(xué)家關(guān)心中子星的狀態(tài)方程，而狀態(tài)方程反映了構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子是什么、以及這些微觀粒子之間的相互作用具有什么性質(zhì)——但是，事實(shí)上我們連構(gòu)成中子星的微觀單元是什么都還不確定。
前面講述的中子星的故事是教科書式的，而人類探索自然的實(shí)際過(guò)程一定是復(fù)雜而曲折的。稍微回顧一下歷史。中子星的概念產(chǎn)生于上世紀(jì)三十年代初，先于脈沖星的發(fā)現(xiàn)。1932年蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道就提出了中子星這一概念，并且稍后的同一年英國(guó)物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，兩年之后天文學(xué)家巴德和茨威基預(yù)言中子星可以在超新星爆發(fā)過(guò)程中形成，1939年美國(guó)物理學(xué)家、“原子彈之父”奧本海默及其合作者計(jì)算出中子星的質(zhì)量與太陽(yáng)質(zhì)量相當(dāng)、而半徑只有約十公里。近三十年之后的1967年，英國(guó)天文學(xué)家休伊什和貝爾發(fā)現(xiàn)了一種稱為脈沖星的天體，也就是說(shuō)人們可以連續(xù)地、并且非常有規(guī)則地接收到從這種天體發(fā)出的電磁脈沖信號(hào)。而天文學(xué)家馬上就意識(shí)到，所發(fā)現(xiàn)的脈沖星其實(shí)就是三十年前理論預(yù)言的中子星。
講到這里，一切似乎還是比較順利的，并且表現(xiàn)為理論預(yù)言被觀測(cè)證實(shí)的一個(gè)典型案例。對(duì)中子星這一概念的革新來(lái)自另一個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)展——粒子物理。就在天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)脈沖星的同時(shí)，粒子物理學(xué)家也取得了重大發(fā)現(xiàn)，他們意識(shí)到質(zhì)子和中子并不是最基本的粒子，而是由更小的、被稱為“夸克”的粒子構(gòu)成。至此，人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)上升到了新的層次，不僅知道原子的中心是原子核、原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，而且認(rèn)識(shí)到質(zhì)子和中子是由夸克構(gòu)成的。
質(zhì)子和中子是由更基本的“夸克”構(gòu)成的
在這個(gè)新的層次上重新審視天文學(xué)家的結(jié)論，人們也不禁要問(wèn)：大質(zhì)量恒星“死亡”之后的引力塌縮過(guò)程，是否不僅可以把原子擠壓成中子、而且還可以把中子“擠碎”變成夸克？
基于這一想法，人們對(duì)中子星結(jié)構(gòu)研究的進(jìn)一步發(fā)展出現(xiàn)兩個(gè)方向。一種溫和的觀點(diǎn)是改進(jìn)中子星結(jié)構(gòu)的描述，認(rèn)為中子星的核區(qū)的最中心部分可能出現(xiàn)夸克物質(zhì)，而其余部分組成不變；而另一種激進(jìn)的觀點(diǎn)是變革中子星的觀念，認(rèn)為在超新星爆發(fā)過(guò)程中引力將“中子星”內(nèi)部所有的中子和質(zhì)子都“擠碎”成夸克，即原來(lái)所說(shuō)的“中子星”其實(shí)是從中心到表面完全由夸克物質(zhì)構(gòu)成的“夸克星”。也就是說(shuō)，構(gòu)成“中子星”的微觀粒子可能是夸克而不是中子。
國(guó)際同行在1960年代末、1970年代初開(kāi)始研究中子星內(nèi)部的出現(xiàn)夸克物質(zhì)的奇特物態(tài)；值得一提的是，我國(guó)的前輩們研究始于1970年代后期。例如，曾工作于南京大學(xué)和紫金山天文臺(tái)的已故學(xué)者陸埮院士，在上世紀(jì)80年代就研究了夸克物質(zhì)和中子物質(zhì)機(jī)械振蕩時(shí)熱力學(xué)行為上的差異，而他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)一直活躍在夸克星研究領(lǐng)域。
不過(guò)，由于“中子星”這一稱呼在人們認(rèn)知過(guò)程中已經(jīng)先入為主了，所以在不是特別強(qiáng)調(diào)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具體模型的場(chǎng)合下，人們依然沿用“中子星”這個(gè)名字來(lái)泛指超新星爆發(fā)之后殘留的致密天體，盡管它們可能并不是由中子構(gòu)成的。中子星內(nèi)部成分的不確定性意味著，“中子星的狀態(tài)方程是什么”這一問(wèn)題并沒(méi)有得到根本解決。
“夸克星”并非故事結(jié)尾
就算講到了“夸克星”，中子星這一故事依然沒(méi)有結(jié)束。夸克星的狀態(tài)方程比我們前面所說(shuō)的中子星的狀態(tài)方程更不確定：人們既不知道夸克星中的夸克實(shí)際上是以什么狀態(tài)存在的，也不知道夸克星中夸克之間的相互作用如何定量描述。
人們對(duì)夸克星的認(rèn)識(shí)也經(jīng)歷了發(fā)展和改進(jìn)。剛開(kāi)始，人們把夸克星看做一個(gè)類似中子和質(zhì)子的巨大粒子，借用粒子物理中描述質(zhì)子和中子內(nèi)部夸克性質(zhì)的理論模型來(lái)描述夸克星內(nèi)部的夸克，這一理論模型把星體內(nèi)部的夸克看做是幾乎自由的。后來(lái)，人們考慮了夸克之間的相互作用，但由于這種相互作用理論上很難處理，人們構(gòu)建的能列出公式計(jì)算的理論實(shí)際上可能并不可靠。
大自然就是如此神奇，雖然人類經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的努力來(lái)探索她的奧秘，但只揭開(kāi)了她的一點(diǎn)點(diǎn)面紗。人們對(duì)于中子星的認(rèn)識(shí)，就面臨一種尷尬的境地：中子星內(nèi)部的物理狀態(tài)恰好落在人們目前的認(rèn)知盲區(qū)——密度很大，但又不是太大。換句話說(shuō)，如果它的密度再小一些，或者再大一些，人們或許可以描述它。如果它的密度不超過(guò)原子核的密度，人們可以通過(guò)核物理的知識(shí)來(lái)研究它；如果它的密度為幾十倍甚至幾百倍的原子核密度，那么它恐怕由幾乎自由的夸克組成，這種情形下人們也有相應(yīng)的處理方法。然而，中子星的平均密度是兩到三倍的原子核密度，此時(shí)中子非常有可能被“擠碎”成夸克，并且夸克之間的相互作用還非常強(qiáng)，人們現(xiàn)有的物理理論很難定量描述在這種情形下夸克的表現(xiàn)。
這樣看來(lái)，超新星爆發(fā)之后形成的致密星體確實(shí)神奇到了不可理喻的境地。難道人類的認(rèn)知極限僅存于這種極端的物體嗎？事實(shí)上，大自然中的任何事物都是難以捉摸的。還是以我們最熟悉的水為例，雖然我們對(duì)于水中的原子、分子、以及這些粒子之間的相互作用非常了解，而且這一相互作用也比較弱，但是單從一堆氫原子核、氧原子核和電子出發(fā)，任何一個(gè)聰明的物理學(xué)家也依然無(wú)法把水這種物質(zhì)構(gòu)建出來(lái)，更談不上固、液、氣三種狀態(tài)的水了。所以，人們無(wú)法從一堆夸克中構(gòu)建出夸克星，也不足為奇。
大自然自有其道，我們只能通過(guò)觀察來(lái)探究她本來(lái)的面目。不過(guò)，通過(guò)和水的類比，或許可以給我們一點(diǎn)啟示：一堆夸克組成的物質(zhì)可能也具有類似固、液、氣的不同的狀態(tài)，并且既然夸克星內(nèi)部夸克之間相互作用那么強(qiáng)，它也可能是液態(tài)甚至是固態(tài)的。十幾年前，我們?cè)罁?jù)豐富的脈沖星類天體觀測(cè)現(xiàn)象提出固態(tài)夸克星的概念，并且至今一直試圖從理論和觀測(cè)角度否定或肯定這一看法。
對(duì)于脈沖星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的猜測(cè)（我們又稱 “夸克集團(tuán)”為strangeon，譯成“奇子”）
尋找證據(jù)
如前所述，天文學(xué)家所說(shuō)的“中子星狀態(tài)方程”，實(shí)際包含兩層意思：中子星的構(gòu)成粒子是什么（即是中子星還是夸克星），這些粒子之間相互作用的性質(zhì)如何（即物質(zhì)表現(xiàn)出什么狀態(tài)）。事實(shí)上，天文學(xué)家在這些方面已經(jīng)做了大量的觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)中子星的狀態(tài)方程。例如，如果它實(shí)際是夸克星，那么會(huì)有一些不同的性質(zhì)，比如夸克星的表面密度依然很大、會(huì)轉(zhuǎn)得更快、會(huì)有更小的質(zhì)量等等。然而到目前為止，基于電磁波段的觀測(cè)還無(wú)法判斷一顆中子星實(shí)質(zhì)上是或者不是一顆夸克星。
如果LIGO探測(cè)到了兩顆中子星并合的引力波信號(hào)，這對(duì)研究中子星的狀態(tài)方程具有非常重要的意義，因?yàn)椴煌臓顟B(tài)方程會(huì)產(chǎn)生不同的引力波甚至電磁波信號(hào)。例如，一個(gè)顯著的區(qū)別是表面性質(zhì)：中子星在接近表面時(shí)密度非常小、夸克星的表面密度很大、而固態(tài)夸克星不僅表面密度大而且還具有剛性，這可能導(dǎo)致兩顆星并合之前被“撕裂”的過(guò)程不一樣，并且這一差異在一定條件下可能會(huì)被LIGO或電磁探測(cè)器記錄。
總之，引力波信號(hào)結(jié)合Fermi，F(xiàn)AST等電磁波探測(cè)器的觀測(cè)結(jié)果，有望對(duì)中子星狀態(tài)方程給出前所未有的限制。探測(cè)到雙中子星的并合事件，或許可以告訴我們關(guān)于中子星和夸克星的更多故事，讓我們看清“宇宙燈塔”的更多面容。
不過(guò)LIGO到底能不能探測(cè)到雙中子星的并合事件呢？圈內(nèi)人也眾說(shuō)紛紜。這不，江教授和龍教授兩人已經(jīng)定下賭約，以一瓶好酒為注。如果今年LIGO探測(cè)到雙中子星的并合事件，則江教授輸龍教授一瓶華盛頓州的上好紅酒，LIGO 華盛頓Hanford觀測(cè)臺(tái)附件Columbia Valley產(chǎn)出。反之，龍教授則輸江教授一瓶蘇格蘭威士忌，英國(guó)蘇格蘭物理學(xué)家羅納德·德雷弗家鄉(xiāng)產(chǎn)出。 （羅納德·德雷弗是引力波探測(cè)先驅(qū)， 與加州理工學(xué)院物理學(xué)榮休教授基普·索恩和麻省理工學(xué)院物理學(xué)榮休教授賴納·韋斯創(chuàng)建了“激光干涉引力波天文臺(tái)”（LIGO），于2017年3月6日去世。去世前與基普·索恩和賴納·韋斯一起包攬了除去諾貝獎(jiǎng)之外的幾乎所有科學(xué)大獎(jiǎng)。）
沒(méi)準(zhǔn)，這個(gè)賭約就像Thorne和Ostriker的著名賭約一樣，會(huì)再帶來(lái)一枚諾貝爾獎(jiǎng)？ 只是希望不要再等35年吧。大家說(shuō)呢？
當(dāng)然，引力波天文學(xué)能夠做的事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于中子星，天文學(xué)家感興趣的領(lǐng)域也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止中子星。引力波是人們探索宇宙的另一扇窗口，借助這一窗口天文學(xué)家可以看到宇宙的更多更豐富的面貌，天文學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域的許多未解之謎將有可能解開(kāi)。當(dāng)宇宙學(xué)遇見(jiàn)引力波，將會(huì)碰撞出怎樣的火花？敬請(qǐng)關(guān)注引力波天文學(xué)之四——哈勃常數(shù)的確定。
作者簡(jiǎn)介
來(lái)小禹
來(lái)小禹2010年北京大學(xué)取得博士學(xué)位，曾工作于新疆大學(xué)，現(xiàn)任職于湖北第二師范學(xué)院。目前主要結(jié)合天文觀測(cè)研究脈沖星內(nèi)部的物質(zhì)狀態(tài)，以及通過(guò)研究早期宇宙QCD相變的可能天體物理后果來(lái)探討強(qiáng)相互作用物質(zhì)的性質(zhì)。
徐仁新
徐仁新北京大學(xué)物理學(xué)院教授，1997年北京大學(xué)取得博士學(xué)位。關(guān)注脈沖星、夸克星、中子星等天體物理學(xué)研究，涉及致密物質(zhì)物態(tài)及其若干天體物理表現(xiàn)、宇宙早期QCD相變、高能宇宙線等基本科學(xué)問(wèn)題。提出致密物質(zhì)的三味夸克集團(tuán)相，并試圖通過(guò)天文觀測(cè)來(lái)檢驗(yàn)這一猜想。
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