天文太空

中子星的核心秘密

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。

撰文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)
翻譯/李沃龍
2019-05

天文太空

中子星的核心秘密

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。

撰文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)
翻譯/李沃龍
2019-05


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夸克與膠子,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夸克與下夸克,而是它們更重的表親「奇夸克」。


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。


超流體之海


中子星誕生於超新星這樣的天文劇變事件。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,而應是夸克流體。」


此流體的型態仍是個懸而未決的問題。一個可能性是夸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,因為夸克會受到其他夸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」。夸克是所謂的費米子,指的是自旋量子數為半整數的粒子。當兩個夸克成對時,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,成對夸克將遵循新的規律。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夸克是費米子,它們必須以更高的能量堆疊在一起。然而,當這些夸克變成玻色子,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,這些成對夸克可形成超流體。


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。總的來說,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。」......