根据国际物理学家团队的一项研究,最大质量中子星的核心中很可能存在超致密的解禁夸克物质。领导的团队由 阿列克西·沃里宁 赫尔辛基大学将贝叶斯推理应用于中子星的观测,得出的结论是,80-90% 的物质存在于最重的物体中。
在极端温度和压力下,量子场论预测夸克和胶子不再像质子、中子和其他强子那样紧密地相互结合。相反,它们可以自由地单独存在于一种奇异的夸克-胶子等离子体中,称为解禁夸克物质。
据信,这种物质状态在大爆炸后的最初时刻主宰了宇宙。它也可以在大型强子对撞机等设施中通过将重原子核粉碎在一起而非常简单地产生。
致密且紧凑的物体
“虽然用粒子对撞机对高密度核和夸克物质进行实验研究仍然极具挑战性,但人们早就知道夸克物质可能存在于自然界中中子星的核心中,中子星是现存最密集和最紧凑的天体物理物体, ”沃里宁解释道。
中子星是恒星塌缩的核心,它们将超过太阳质量的物质包裹在半径仅 10-20 公里的天体中。中子星的密度预计会从地壳到核心不断增加。因此,这样一颗恒星内部的电子和质子预计会被压碎在一起,产生主要是中子的物质。
更重要的是,一些物理学家认为中子星核心的温度和压力可能足够高,足以允许从强子物质到解禁夸克物质的相变。为了寻找这种相变的证据,Vuorinen 的团队使用了“贝叶斯推理”,这是一种统计推导方法,通过与观测数据进行直接比较来推断不同模型参数的可能性。
状态方程
在这种情况下,观测结果是中子星的“状态方程”。状态方程将中子星的压力与密度联系起来,并且可以通过观察中子星的质量和半径等特性来推断。
“我们将这种方法与我们之前在中子星物质研究中开创的框架相结合,其中稠夸克物质的状态方程在准确已知的低密度和高密度状态之间插值,”Vuorinen 解释道。由于解禁夸克物质的状态方程预计与强子物质的状态方程有根本的不同,因此这种方法应该能够识别出观测到的中子星核心中解禁夸克物质的存在。
在他们的研究中,Vuorinen 和同事使用了 12 个中子星观测结果的状态方程计算。
“以前也进行过类似的研究,但我们能够在我们的研究中考虑到前所未有数量的观测结果,并从结果中推断出强相互作用物质的相,”沃里宁描述道。利用他们最近开发的框架,该团队使用超级计算机来计算他们检查的最重中子星的核心中存在解禁夸克物质的可能性。
强一级相变
“结果大约为 80-90%,这个数字很高,但绝不构成一项发现,”Vuorinen 继续说道。 “剩下的 10-20% 的可能性本身对应着一个非常有趣的场景:我们能够证明,如果存在的所有中子星都仅由核物质组成,则需要有一个强大的一级相变来分离核物质和夸克物质相。”
中子星可能含有自由夸克
团队成员解释说,从天体物理学的角度来看,中子星核心中存在解禁夸克物质的可能性提出了一系列有趣的新问题 乔纳斯·纳蒂拉 在纽约市的熨斗研究所和哥伦比亚大学。
“现在我们知道中子星内部可能潜伏着这种新的物质状态,我们可以开始推测它如何影响各种天体物理现象”。
他说这项研究提出了一些非常有趣的问题。 “我们能在两颗中子星碰撞时暂时释放夸克物质吗?如果物质经历强烈的相变,我们是否可以在某个时候希望观察到中子星塌缩成黑洞?夸克-中子物质界面会改变恒星的内部结构吗?”
在未来的研究中,该团队将致力于更深入地研究这些有趣的问题。
该研究描述于 自然通讯.
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