【夸克星】夸克星，密度比中子星还大几十倍！它会是高密度天体的极限吗？

要说宇宙中除黑洞以外密度最大的天体，大概会回答说是普通中子星。(莎士比亚，黑洞，黑洞，黑洞，黑洞，黑洞，黑洞)

中子星的艺术想象，夸克星也大致如此

夸克星的名字十分霸气，夸克是构成质子、中子等基本粒子的更小的物质单元，夸克星顾名思义就是由夸克组成的星体，比中子星体积更小，而密度甚至可以达到中子星的几倍甚至几十倍，绝对是个厉害的角色！

夸克的尺度

按照恒星演化规律，中小质量的恒星的寿命末期会变成白矮星，更大质量的恒星在超新星爆发后形成中子星，当恒星的质量再大，但又不足以形成黑洞时，中子也会被压碎，形成由夸克物质构成的“夸克星”。这听起来很合理，但夸克已经进入了量子色动力学的领域，具有一些奇特的性质，如“渐近自由”、“夸克禁闭”等，事情就没那么简单了。

今天，人马君就与大家一起探寻神秘的夸克星，了解一下这个传说中极端致密天体的前世今生。

超新星能量之谜

关于夸克星的预言，还要从超新星能量之谜说起。对于超新星爆发的机制，天文学家直至现在还没能给出一个圆满的解释，这可能会让大家感到很意外，说实话，人马君也很意外！

超新星爆发

早在公元1054年，人类第一次记载了超新星。那时正是宋朝，司天监向皇帝汇报了“客星”的出现和消失。那次爆发形成了著名的蟹状星云和星云中央的中子星。

蟹状星云

根据目前比较流行的II型超新星理论，在大质量恒星的生命末期，中心区域的氢燃料耗尽，开始了氦聚变，恒星随之膨胀为红超巨星。如果质量够大的话，星体核心不断合成更重的元素，并继续释放出能量。但当合成到铁和镍的时候，再通过聚变或α粒子吸收来合成更重的元素时，不仅不再释放能量，反而需要吸收能量来克服库仑斥力。

氦核聚变成碳12

因此，在红超巨星的中心，就形成了一个铁（镍）核。当铁核质量达到钱德拉·塞卡极限（1.44倍太阳质量），由泡利不相容原理产生的电子简并压将无法抵抗引力，铁核变得不稳定。在引力的作用下，铁核迅速坍缩，直到强相互作用力（中子简并压）与引力达到平衡为止。

超新星1987A爆发后喷出的物质

从这时起，理论与实际开始出现分歧。一开始，科学家认为铁核坍缩过程产生了大量携带能量的中微子，与外壳物质相互作用，造成了超新星爆发，但计算表明，由于中微子与物质的作用非常微弱，这些中微子和能量不足以造成如此强烈的爆炸。后来，又提出了“反弹理论”：在铁核坍缩后，外层物质随之以极高速度向下坠落，撞击在停止收缩的核心上，形成了反弹激波，激波向外传播，炸开了恒星外壳，形成了爆发。

计算机模拟反弹激波

反弹激波向外扩展

反弹理论听起来很靠谱，然而详细分析表明，反弹激波会迅速衰减，根本无法把恒星炸成一朵大烟花。于是，科学家又提出了更进一步的理论：中微子加热理论，它将中微子与反弹理论结合，指出核心坍缩释放的中微子会加热反弹激波后方的物质，形成“热泡”，推动激波向外传播，实现炸开恒星的“宏伟目标”。这一理论在计算模拟中实现了超新星爆发，但爆发的能量还是太小，与观测不符。

听了以上描述，您可能也了解了：到现在为止，还没有一个理论能很好的解释猛烈而常见的超新星爆发现象。这样的问题怎能不引起大人物的注意，于是，M理论之父、有弦理论界“教皇”之称的爱德华·威顿登场了。

“弦理论教皇”的猜想：奇异夸克物质

在1970年代后期，科学界已经提出了夸克星的构想，即考虑恒星的质量够大时，在铁核坍缩后，即使是中子简并压也无法抵抗引力，核心会继续压缩，直到中子也被压破，成为自由夸克“气体”，而当夸克的简并压能够抵抗引力时，就形成了夸克星。

然而，在夸克的世界里，自由夸克“气体”是一个很讨厌的东西，于是，在如此强的压力之下，夸克们似乎向着另一个截然不同的方向发展了。1984年，爱德华·威顿发表了一篇论文，提出了“奇异物质”的概念，以及由奇异物质构成的“奇异星”，与自由夸克“气体”相比，这也许更接近夸克星的真实面目。

弦理论教皇：爱德华·威顿

在威顿的设想中，奇异物质由上、下和奇夸克组成，也就是u，d，s三种夸克。而构成自然界中一般物质的质子、中子，都是由3个u和d夸克组成的。由于存在“夸克禁闭”（即夸克之间的距离越远，相互作用力越大），导致不存在游离在外的夸克。而s夸克具有奇异量子数（在弱相互作用中不守恒），被称为奇异夸克。

构成中子、质子等“重子”的夸克类型，左上角为中子，右上角为质子

前面说到，在超新星爆发时，恒星内部的铁核崩溃坍缩，最后由中子简并压抵抗住了引力，形成了中子星的雏形。由于中子是费米子，它必须在空间中占有体积，在中子星中，中子密度非常高，相互之间靠得很近，由此导致能量非常高（费米能），当高到一定程度时，一个u夸克和一个能量极高的d夸克，可能发生弱相互作用过程，转化为一个u夸克和一个s夸克，而在一定条件下，s夸克也可以重新转化为d夸克。当反应达到平衡时，u，d，s三种夸克的数量差不多，s夸克略少，形成了奇异物质，而中子星将成为奇异星，也就是夸克星。

威顿在1984年论文中指出，以奇异物质形式存在的夸克物质，其能量水平应该比中子星物质更低，也就比中子星物质更稳定。理论上，中子物质最终都应该转化为奇异夸克物质，但这一过程可能比宇宙的寿命更长久。

理论计算表明，在超新星爆发前那一刻，中子物质一旦开始向奇异夸克物质转化，速度可以用迅雷不及掩耳来形容。当达到合适的条件时（例如引力压缩），中子物质通过强相互作用先转化为由u、d两种夸克组成的正常夸克物质，也就是所谓的自由夸克气体，但它存在的时间甚至小于1微秒，随后便通过弱相互作用转化为u、d、s三种夸克组成的奇异夸克物质。一旦中子星的中心形成了奇异夸克物质，整个星体会在很短时间内全部转变为奇异星，对于这一过程，科学家提出了爆轰和扩散两种形式，转变的时间从不足1秒到几十秒不等。

由于奇异夸克物质的能量低于中子物质，在转变过程中，将以中微子的形式释放出大量能量，可以加热外层物质，推动激波前进，终于让计算中的超新星“成功”爆发了！

一个巨大的“基本粒子”

夸克星的物质形态与正常世界里完全不同，具有很多奇怪的现象。由于夸克禁闭被突破，整个夸克星实际上形成了一个巨大的基本粒子，如同一个中子或一个质子一样，这与中子星截然不同。

中子星与奇异夸克星

而夸克物质被束缚在一起，靠的却并不是巨大的引力，而是整体的夸克禁闭，因此奇异夸克物质不一定要形成大的夸克星，也能以小块的形式存在，而最小的奇异夸克物质就是著名的H双重子，由2个u，2个d和2个s夸克组成。

据分析，夸克物质有着极高的黏性，由于三种夸克可以在不同的密度条件下可以相互转化，任何振动都会被迅速抑制，因此会像糯米粘糕一下，很黏牙！

像糯米粘糕一样黏……

如果一个夸克星由纯夸克物质构成的话，由于夸克之间的作用距离非常短，短到不足1飞米（10^-15米），它的表面将异常光滑，没有任何细小的起伏，只在外表包着一层薄薄的电子。

而如果夸克星吸积了来自其它地方的正常的原子核物质，会在外面形成一个核物质壳，这个壳与夸克物质之间有一个几百飞米的间隙，间隙中的电场和电子阻止了核物质落在夸克物质上。如果吸积的物质越来越多，核物质壳的厚度越来越大，内侧的原子核和电子密度越来越大，最终将电子压入原子核，形成中子物质。由于中子不受间隙电场影响，可以向下落在夸克星上，使夸克星的体积变大。此时核物质壳的厚度就不会再增加了。

带壳的夸克星

惊人的高密度

下面来探讨一下大家关心的夸克星的密度问题。由于物质形态的不同，奇异夸克星和中子星的质量与半径的关系差别相当大，下面的曲线可以直观的表现出这种差异。

中子星与夸克星的质量与半径的关系，不同的曲线类型表示不同的物态

可见，夸克星的半径随着着质量的增大而增大，而中子星的半径随着质量增大而减小，且一般不会小于10公里。当质量比较小时，同样质量的夸克星的半径可能仅为中子星的几分之一，也就是说密度将比中子星大几十倍，达到每立方厘米20亿吨左右，非常惊人。像人马君这么大的一块奇异夸克物质，重量可以达到160万亿吨，已经不能用“重于泰山”来形容了，因为这比1000个泰山还要重！

中子星与夸克星的典型大小

而质量比较大时，夸克星与中子星的大小可以重叠，也就是说，一些大质量的中子星和夸克星的密度是差不多的，这也是有时难以区分夸克星和中子星的原因。

寻找夸克星

自从夸克星的概念被提出以来，天文学家寻找夸克星的努力就从未停歇，但是迄今为止，还从未找到能证明夸克星存在的确凿证据，这是因为夸克星与中子星外在的特征实在太像：直径都很小，都有高速的自转，都有很强的磁场，甚至都会有规律的发出电磁脉冲……如果说有区别，那就是夸克星的直径会比中子星小，如果一个致密星的直径小于8公里，那很可能就是夸克星。但要测定这么小的星体的直径相当的难，只能在有吸积盘的情况下，通过测定吸积盘内圈直径来估计。

还有一种方法：由于夸克星更加致密，同时还具有极强的体黏滞性，因此可以承受更高的旋转速度，如果一个致密星的旋转周期达到了亚毫秒级，那它也很可能是夸克星。

目前比较公认的夸克星候选者当属RX J1856.5-3754和3C58， 这二位在钱德拉X射线望远镜下的成像是这样的：

RX J1856.5-3754和3C58的X射线成像

RX J1856.5-3754是距离我们只有400光年的一颗致密星，根据钱德拉望远镜的观测数据分析，它的表面温度为70万度，直径可能不到12公里，比一般的中子星要小得多，很可能是一颗奇异夸克星。

而3C58则是一个在公元1181年就被中国和日本观测到的超新星爆发的残骸，距离我们一万光年，虽然这是一颗很年轻的致密星，但其温度却已经低于100万度，如此快的冷却速度，在中子星理论中是无法解释的，因此也认为可能是夸克星。

钱德拉望远镜拍摄的3C58附近图像

除了上面两个之外，夸克星的候选者还有很多，但它们都没有得到确切的证明。同时，最小的奇异夸克物质单元——H双重子也从未被实验发现。对夸克星的探寻，依然是天文学界的一个热门议题。

夸克星是“终极”吗？

夸克星虽然还没有找到，好奇的人们已经在思考更激进的理论了：在夸克星和黑洞之间，还会不会存在更加致密的天体呢？俗话说，人有多大胆，地有多大产，只要脑洞大开，创新点总会有的！人们已经提出了许多密度比夸克星还高的假想天体，例如以下这几个疯狂的想法：

先子星：虽然在实验中，夸克和轻子是没法再分了，但科学界曾经假设过一种更小的物质单元——先子，并假定夸克和轻子都是用先子构成的。如果先子存在的话，如果引力增大以至于夸克也被压碎的话，有可能形成以先子简并压来抵挡引力的先子星。假如先子星存在，它的密度将达到每立方厘米100万亿吨，人马君已伙呆！

电弱星：如果先子不存在的话，别急，还有一根稻草可用：夸克也会“燃烧”，它可能会通过电弱燃烧转化为轻子，并释放出能量，这些能量可以暂时抵挡一下过分巨大的引力，从而维持住星体而不变成黑洞。据说，一颗苹果大小的电弱星的质量相当于两个地球！但是随着夸克的消耗，电弱星注定是不会长久的，大概只能存在一千万年左右。

量子真空星：量子力学认为真空并不是空的，而是有虚粒子不断出现和湮灭，当引力将物质压缩到极致时，真空被极化，产生了斥力，形成了量子真空星。它的性质已经很接近黑洞，甚至用现有观测技术很难将其与黑洞区分开来。

普朗克星：一种观点认为黑洞并不存在，因为根据量子力学，物质的尺度不可能小于普朗克长度，引力把物质压缩到1个普朗克密度之后，就达到了密度的极限，将无法再压缩，从而形成了普朗克星，它甚至像黑洞一样有事件视界。普朗克星是不稳定的，会立即发生反弹，但由于引力越强的地方时间流逝得越慢，在外面的观测者看来，普朗克星的寿命与黑洞一样长。

这么看，普朗克星如果存在的话，应该是终极的致密星了！

啰里啰唆的说了这么多，大家对夸克星应该有一些了解了吧？其实，包括夸克星在内的多种致密星，还仍然只是理论上的猜想，这些猜想未必就一定成立，也许哪一天会被实验或新的更靠谱的理论证伪。但这些假说代表了人类对未知的探寻，不管最终能不能成立，都具有开创性的意义。另一方面，人马君深深的感受到，微观和宏观是统一的，如果我们搞不清楚微观的机理，也就无法解释宏观的现象，这也许就是科学家们孜孜不倦的追求“大统一理论”的原因吧！

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