伊莉討論區

標題: 中子星的核心秘密 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2020-4-6 03:11 AM 標題: 中子星的核心秘密

　　　　　[attach]131109265[/attach]
　　中子星是宇宙中密度最高的物質結構﹐其內部狀態一直令人費解﹐但科學家已嘗試破解這個物理之謎﹐甚至藉此理解重力的本質。
　　當具有20倍太陽質量的恆星死亡時﹐將淪為天文物理學家阿州曼尼恩(Zaven Arzoumanian)所說的「駭人聽聞的恐怖天體」﹕體型僅城市般大小﹑密度高到不可思議的中子星﹔一小塊如乒乓球大小的中子星材質就重達10億公噸以上。在中子星表面之下﹐質子與電子遭受重力劇烈擠壓﹐融合成以中子為主的構造。但那只是我們的想像﹐因為此議題至今仍懸而未決。天文學家從未近距離觀察中子星﹐地面實驗室也無法製造如此高密度的物體﹐因此這些天體的內部結構可說是太空中最大的秘密之一。
　　阿州曼尼恩任職於美國航太總署(NASA)哥達德太空飛行中心﹐他說﹕「它們是自然界所允許密度最高的穩定物質﹐但我們仍不理解其結構狀態。」此外﹐中子星也是已知重力最強大的物質﹐只要加上一丁點質量就會轉變成黑洞﹐而黑洞是純粹的彎曲空間﹑並非物質。阿州曼尼恩說﹕「我們亟欲探求的就是﹐在那門檻上究竟發生了什麼事﹖」。
　　現有幾個理論預測在那門檻上發生什麼事。某些想法認為﹐除了摻雜少數零星的質子外﹐中子星真的就只是充滿一般中子而已。其他學說則提出更奇怪的可能性﹕中子星裡的中子會進一步裂解為誇克與膠子﹐無拘無束地徜徉於自由流動之海﹔這種星體的內部也可能由更詭異的粒子所組成﹐例如超子(hyperon)﹐構成超子的粒子並非原子中常見的上誇克與下誇克﹐而是它們更重的表親「奇誇克」。
　　由於我們無法剖開中子星觀察內部﹐因此並沒有簡單方法知道這些理論的正確性﹐不過科學家正努力尋求進展。2017年8月獲致了一次重大突破﹐地面實驗偵測到巨大天體加速運動所產生的重力波﹐看起來像是兩顆中子星正面碰撞所引發的時空漣漪。這些波動攜帶了兩個星體在碰撞前所具有的質量與大小的訊息﹐讓科學家得以對所有中子星的性質及可能組成施加新的條件。
　　2017年6月國際太空站(ISS)開始執行中子星內部組成探測器(NICER)實驗﹐也為我們提供了另外的線索。NICER觀測的是波霎(pulsar)﹐也就是高速旋轉且具強大磁場的中子星﹐會不斷發射清晰的光束。當這些光束掃過地球﹐就能觀測到波霎每秒閃爍超過700次。這些實驗和其他線索似乎可讓我們理解中子星的內部構造性質。如果科學家真的能做到這一點﹐將不僅解答這一類宇宙怪事﹐還能掌握物質和重力的基本限制。
　　中子星誕生於超新星這樣的天文遽變事件。每當恆星用盡核心內的燃料而停止產生能量時﹐就會發生超新星爆發﹐因為突然之間﹐重力宰制一切﹐如活塞般猛烈撞擊恆星﹐吹散外層大氣﹐並摧毀了在此階段多半已融合成鐵的核心。此時的重力強大到可完全壓碎原子﹐迫使電子擠入原子核內﹐直到它們與質子結合產生中子。聖路易華盛頓大學的物理學家阿爾佛德(Mark Alford)說﹕「鐵被各方襲來的重力壓縮10萬倍﹐使得原子從0.1奈米的大小﹐縮成僅有幾個飛米寬的一團中子。」(一飛米為100萬分之一奈米﹐而一奈米是10億分之一公尺。)猶如整個地球被壓縮成單一街區。當恆星不再塌縮時﹐它所含的中子數約是質子數的20倍。紐約石溪大學的天文學家拉提默(James Lattimer)表示﹐這樣的恆星遺骸就像巨大的原子核﹐但有個重大差異是﹐「原子核是藉由核子的交互作用結合在一起﹐中子星卻是由重力凝聚而成。」。
　　天文學家巴德(Walter Baade)和茲維基(Fritz Zwicky)於1934年提出中子星概念﹐解答超新星可能遺留下來的天體問題﹔超新星也是他們同時創造出來的名詞﹐用以描述天空中偶然觀測到的極明亮爆炸事件。當時是英國物理學家查德威克(James Chadwick)發現中子之後兩年。起初﹐有些科學家懷疑如此極端的天體不可能存在﹐直到貝爾(Jocelyn Bell)與同事在1967年首次觀測到波霎﹐研究人員隨即在次年確認那些波霎必定是旋轉的中子星﹐這個概念才廣受接納。
　　物理學家認為中子星的質量大約是太陽質量的1~2.5倍﹐可能至少包含三層結構。外層是由氫與氦構成的「大氣」﹐厚度是幾公分到幾公尺﹐飄浮在深達一公里﹑由原子核組成的「外殼」上﹔這些原子核排列成晶體結構﹐其間夾雜著電子和中子。接下來是神秘的內層﹐佔據了中子星的大部份體積。在此﹐原子核遵循核物理定律緊密排列﹐原子核之間沒有距離﹐塞滿了整個內層。當你向內深入核心時會發現﹐越深層的原子核擁有越多的中子。到了某個深度﹐當原子核已不能再容納更多中子時﹐中子就溢出核外﹕至此不再有原子核的結構存在﹐只剩下核子(即中子或質子)。在內核的最深處﹐這些核子也可能會裂解。阿爾佛德說﹕「在假設的情景中﹐根本不知道處於瘋狂的壓力與密度下會發生什麼事﹐我們認為可能發生的是﹐中子真的整個壓碎﹐彼此重疊在一起﹐不再能將其稱為中子流體﹐而應是誇克流體。」。
　　此流體的型態仍是個懸而未決的問題。一個可能性是誇克會形成不具黏滯性的「超流體」﹐理論上﹐這樣的流體一旦開始運動﹐就永遠不會停止。這種奇異的物質狀態可能存在﹐因為誇克會受到其他誇克所造成的吸引作用﹐若被推到足夠接近的距離內﹐就可形成彼此束縛的「古柏對」。誇克是所謂的費米子﹐指的是自旋量子數為半整數的粒子。當兩個誇克成對時﹐它們的性質就像單一個玻色子﹐自旋量子數等於0或1或另一整數的粒子。經此變換後﹐成對誇克將遵循新的規律。費米子受包立不相容原理的約束﹐也就是兩個相同的費米子不能處於相同的狀態﹐但玻色子沒有這樣的限制。若擁擠的中子星裡的誇克是費米子﹐它們必須以更高的能量堆疊在一起。然而﹐當這些誇克變成玻色子﹐就可以保持在最低的能量狀態(這是任何粒子傾向的狀態)﹐並擠在一塊兒。在這樣的狀態下﹐這些成對誇克可形成超流體。
　　在中子星核心最緻密處之外﹐中子可能仍完好無缺﹐也可以形成超流體。事實上﹐科學家相當確定中子星外殼裡的中子正是處於這種狀態﹐證據來自波霎的「頻率突變」(glitch)﹐也就是自轉的中子星正急遽加速。理論物理學家認為﹐當整個星體的旋轉與外殼內超流體的旋轉有差異時﹐便會出現頻率突變現象。總體來說﹐中子星的旋轉會隨著時間而減慢﹐內部超流體的流速卻因不具黏滯性而沒有減慢。當兩者速率的差異變大﹐超流體會把角動量傳到外殼。拉提默說﹕「這就像地震一樣﹐地殼震盪了一下並獲得一波能量﹐旋轉頻率會在短時間內增加﹐然後再次降低。」。
　　2011年拉提默和同事發現了中子星核心中超流體存在的證據﹐但他承認結果仍有爭議。拉提默參與的團隊是由墨西哥國立自主大學的佩吉(Dany Page)領導﹐為了尋找更多證據﹐他們分析在X射線頻段觀測仙后座A累積15年的數據﹐該星雲是17世紀時首次觀測的超新星遺骸。科學家發現位在星雲中心的波霎﹐比理論所預測的更快冷卻。一種解釋是﹐恆星內部的成對中子正形成超流體。若這些成對中子分解後又重組﹐便會發出微中子﹐導致中子星失去能量並冷卻下來。拉提默說﹕「這是我們從未預料的現象﹐但是看哪！恰好有一顆年齡合適的中子星讓我們可看到這一點。50年後將會出現進一步線索﹐屆時它的冷卻速率應該開始更緩慢地降低﹐因為一旦形成超流體﹐就不會再有能量損失。」。

歡迎光臨伊莉討論區 (http://xn--www4-s52g.eyny.com/)