探測中子星碰撞產生的引力波，尋找夸克物質之核

科技 08-09

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新的夸克物質理論研究對中子星的特性做出了預測，我們有望在不久的未來驗證這一預測。圖：旋轉中子星發出的X射線和紅外輻射。圖片來源:NASA/CXC/SAO; NASA/JPL-Caltech

2016年2月，科學家們取得了跨時代的發現，觀測到了2個黑洞融合時發射的引力波。現在，科學家希望發現中子星相關的引力波，這可以來自2顆中子星間或1顆中子星與一個黑洞間的碰撞。

歐洲粒子物理研究所和挪威斯塔萬格大學科學家阿萊克斯·庫克拉（Aleksi Kurkela）和芬蘭赫爾辛基大學科學家阿萊克斯·沃瑞恩（Aleksi Vuorinen）在《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表的論文表示，他們發明了一種分析方法，可以用來揭示存在於中子星核心中的超高密度物質——「夸克物質」（quarkmatter）的特性。在不久的將來，利用引力波探測數據就可以檢驗他們的論斷。

目前，人們對夸克物質的分析都基於一個近似假設：它的溫度等於絕對零度。儘管絕對零度的近似假設適用於大多數的中子星，但由於中子星碰撞時的溫度極高，因此可能會需要額外的修正。

在論文中，兩位科學家將高溫效應納入了夸克物質狀態方程，使方程在略微高於零度的條件下也可以應用。改進後的理論將適用於中子星碰撞時的條件，並中子星核夸克物質特性做出較為精確的描述。

夸克物質

中子星是幾乎完全由中子組成的物質，而中子是由夸克組成的。一般情況下，夸克被緊密地束縛在中子中，但是科學家們認為中子星內部巨大的壓力和密度足以打破中子的結構，從而釋放出夸克，構成「夸克物質」——由夸克和把夸克粘合起來的膠子組成的物質。

目前，夸克物質的特性還不明朗，主要是因為它在地球上幾乎沒有。科學家通過高能粒子的碰撞可以產生夸克——膠子等離子體，但只能存在極短時間，因此很難對其特性進行研究。

通過引力波探測夸克物質

中子星和引力波提供了探測夸克物質的另外一種可能性，通過中子星碰撞產生的引力波，科學家可以獲得夸克物質的大量信息。

具體來說，2顆中子星碰撞，或1顆中子星和1個黑洞碰撞產生的引力波可以提供中子星結構的詳細信息，進而可以根據夸克物質狀態方程分析夸克物質的熱力學特性。

不過，從理論上描述夸克物質的特性和探測微弱的引力波一樣困難，因為方程中涉及了中子星中的高能物質的強力，

兩位作者稱，他們作為粒子物理學家的目的是根據量子色動力學（quantum chromodynamics，QCD）和強相互作用理論的基本原理來推導夸克物質狀態方程。這項工作極具挑戰性，但已經完成。只要引力波的觀測精度足夠高，那麼理論模型就可以來解釋中子星核中夸克物質的特性，並最終判斷中子星的核是否由夸克物質組成。

該理論結果也適用於加速器產生的夸克-膠子等離子體，但科學家認為夸克等離子體的特性不同於中子星中的夸克物質。具體來說，夸克-膠子等離子體的溫度很高，但密度很低；而夸克物質密度很高，溫度卻很低。兩位科學家的理論對夸克-膠子等離子體和夸克物質的特性進行了統一解釋，能夠在任何溫度下成立。

兩位科學家打算在未來繼續改進他們的理論。他們表示，通過與北美和歐洲同行的合作，有望將理論拓展並適用於弱耦合（weak coupling）條件，這樣就可以更精確地描述冷夸克物質的特性。

編輯：離子心

參考: Physical Review Letters. DOI:10.1103/PhysRevLett.117.042501

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