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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
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。
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。」.........<div class='locked'><em>瀏覽完整內容，請先 <a href='member.php?mod=register'>註冊</a> 或 <a href='javascript:;' onclick="lsSubmit()">登入會員</a></em></div><div></div> 這東西真的太認真的
完全完全
看沒有懂阿 質子+電子不等於中子所以肯定有別的東西加入或離開 我一直的想法是中子星真的就只是充滿一般中子而已。所謂奇怪的內部狀態只是我們對極限的環境條件的想像而已，不是嗎 聽說中子星很重不知道有肥有<br><br><br><br><br><div></div>
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