压缩重子物质:从原子核到脉冲星

发布时间：2019-11-03 22:59

【摘要】：尽管物质世界以不熟悉的暗物质、暗能量为主,但自然界的精彩却要归功于相对少量的那些重子物质.日常生活中原子核之间Coulomb排斥有效地阻止它们通过挤压物质而聚合起来,然而天体极端环境时常出人意料:大质量恒星演化至晚期时,其核心引力如此之强以至于其他任何力(当然包括Coulomb排斥)都难以媲美——压缩重子物质就这样在超新星爆发过程中诞生,并表现为观测到的脉冲星.对这类压缩重子物质的研究将不仅加深对强作用基本性质的认识,而且有助于检验引力理论、探测低频引力波、建立精确的时间标准和导航体系,还是我国在建或拟建大型天文望远镜的核心课题.历史上Landau曾推测恒星核心存在巨大的原子核(后来发展成为"中子星"模型),我们经过研究后却认为脉冲星其实是由夸克集团而构成的凝聚体.夸克集团作为超新星爆发形成压缩重子物质的基本单元这一想法十年来并未被观测排除,而且我们还期待未来功能更强大的观测设备检验它.
【图文】：

中国科学:物理学力学天文学2013年第43卷第10期1291图1(网络版彩图)不同类型的脉冲星结构模型.强子星(HadronStar)内部无游离夸克组成的夸克物质,而中心密度足够高时会形成具有夸克物质核心的混合/混杂星(Hybrid/MixedStar).几乎完全由夸克物质构成的致密星称为夸克星(QuarkStar).以夸克集团为主要自由度的夸克集团星(Quark-ClusterStar)有别于通常的中子星和夸克星.强子星和混合/混杂星是引力束缚的,这两类致密星都拥有由原子核和电子气等组成的壳层(Crust);而夸克星和夸克集团星的表面是色作用自束缚的,原则上可以不具有壳层.表面直接裸露的夸克(集团)星称为裸夸克(集团)星Figure1(Coloronline)Differentmodelsofpulsarstructure.Quarksareconfinedinhadronsofhadronstars,whilequarkmatterwouldexistinacoreofhybrid/mixedstarwhosecentraldensitycouldbehighenoughtomakequarksde-confined.Aquark-clusterstarisacondensedobjectofquarkclustersviaresidualcolorinteraction,whichdistinguishesfromconventionalbothneutronandquarkstars.Bothhadronstarandhybrid/mixedstarareboundbygravity,whicharecoveredbycrustswithnucleiandelectrons,whilequarkstarandquark-clusterstararestronglyself-boundonsurface.Abare(crusted)quarkorquark-clusterstarisonewithout(with)acrust.过反应方程(1)将一个质子和一个电子转变为一个新的粒子,即稍后由Chadwick发现的“中子”.在20世纪已成功建立的粒子物理标准模型中,基本费米子(夸克与轻子)及传播其间相互作用的规范玻色子才是没有结构的,而质子(uud)与中子(udd)并非30年代人们所认为的点粒子.所以方程(1)的本质其实是通过反应e+ud+e将一个u-夸克转变为一个d-夸克.实际上,除了核子中含有的u和d价夸

镜的运行,脉冲星定将在展现其认识自然角色的同时服务于人类开拓自然的实践之中.5总结80年多前,Landau为了解决恒星能量来源的问题,综合了对引力束缚恒星的相关研究与Gamow原子核不可压缩液滴的猜想,提出了巨大原子核的概念.尽管因时代的局限性Landau的观点充斥着不少经不起历史推敲的错误概念,但至今我们还不得不提及它:因为“密度跟原子核相当的宏观物质”(即所谓的压缩重子物质)概念在那里被认真地考虑,并且为了理解当今探测到的大量天文观测现象,我们离不开这种物质.Landau的概念逐步得到发展,特别是在脉冲星图380多年前Landau推测的“中子”星(a)逐渐发展成当今流行的通常中子星(b);而夸克集团星有别于前两者,是夸克集团的凝聚体(c)Figure3Neutronstarwasspeculatedmorethan80yearsago,whichisthendevelopedtonormalneutronstarofthemainstream.Quark-clusterstar,ascondensedmatterofquarkclusters,distinguishesfrombothneutronandconventionalquarkstars,whichweexpecttotestfurtherbyfutureobservationswithadvancedfacilities.

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本文编号：2555331