中子星是巨大恒星愤怒的鬼魂:超新星爆炸后遗留下来的热的、旋转的外来物质核心。就像热水瓶里盛满了热面条汤一样,它们需要花费很长时间才能冷却下来。但现在,研究人员认为他们知道了这些恒星是如何做到的:在意大利面的巨大帮助下。
不,这些高度密集的恒星尸体不是装满意大利面条的。相反,中子星通过释放被称为中微子的飘渺粒子来降温。新的研究表明,他们能够完成这一任务要归功于一种中间类型的物质,即所谓的核面食。核面食是一种波纹状、卷曲状的物质,其中的原子几乎,但不是完全混在一起。这种核面层结构在恒星内部创造了低密度区域,为中微子和热量提供了一条出路。
被困的热
从中子星表面刮下的一茶匙物质将重达数十亿吨,比地球上每个人的总和还要重。这种密度帮助它们极好地捕捉热量。虽然我们的太阳被认为是一颗黄矮星,它以光的形式释放了大部分热量,但中子星内部产生的光粒子很少能到达表面逃逸。尽管如此,这些愤怒的不死之星——每个都有一个美国城市那么大——最终还是会平静下来,主要是通过释放中微子。
为了了解它们是如何冷却下来的,10月6日发表在《物理评论C》(Physical Review C)杂志上的一项新研究的研究人员对中子星内部的物质进行了进一步研究。
普通恒星是由传统物质或原子组成的:由质子和中子组成的小球,周围环绕着相对巨大的旋转电子云。与此同时,中子星内部的密度非常大,以至于原子结构被分解,形成了所谓的核物质的巨大海洋。在中子星之外,核物质是指原子核内的物质,即由质子和中子组成的密集球体。它由科学家们仍未完全理解的复杂规则所控制
意大利面介于常规物质和核物质之间。
“意大利面是介于核物质和常规物质之间的一种东西,”伊利诺斯州立大学的物理学家查尔斯·霍洛维茨(Charles Horowitz)说。“如果你开始在中子星中非常非常用力地挤压物质,原子核会越来越靠近,最终它们会开始接触。”“当它们开始接触时,奇怪的事情就会发生。”
在某一时刻,压力上升到足以使传统物质的结构完全坍塌成未分化的核肉汤。但在那之前,有一个意大利面区域。
在意大利面区,库仑斥力(将带电粒子分开的力)和核引力(将质子和中子在很短的距离内结合在一起的力)开始相互作用。在原子核接触但原子结构还没有完全分解的区域,物质会扭曲成复杂的形状,被称为“意大利面”。科学家们用不同的词语来形容这些东西:土豆汤圆、华夫饼、千层面和抗意大利面。
“这些形状看起来真的很像意大利面,”霍洛维茨说。
电脑生成的图片显示了层层堆叠的核面食。
电脑生成的图片显示了层层堆叠的核面食。(图片来源:Z. Lin等人[)
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霍洛维茨说,这项研究的第一作者、亚利桑那大学博士后研究员Zidu Lin设计了一系列大型计算机模拟,展示了中微子是如何在这个神秘的环境中出现的。
在中子星中产生中微子的基本公式很简单:一个中子衰变,转化为一个更轻、低能量的质子和一个超轻中微子。这是一个简单的过程,在宇宙的其他地方也会发生,包括我们的太阳。(就在这一秒,一股巨大的太阳中微子流正穿过你的身体。)
但要使这一方法奏效,条件必须是正确的。在中子星中,条件看起来是错误的。
中子星,顾名思义,有大量的中子,它们都以高能量和高动量在周围快速运动。但是中微子的配方需要产生一个几乎没有动量的低能质子。但势头不可能就此消失。它总是守恒的。这就是牛顿第一运动定律。(这也是为什么如果你的车突然停下来,而你又没有系安全带,你会飞出窗外。)
轻中微子不能承受相对庞大的衰变中子的所有动量。所以动量唯一的其他地方就是到周围的环境中去。
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林的模型表明,核面条在很大程度上解决了这个问题。那些卷曲的,分层的形状有低密度的区域。意大利面可以在波浪运动中压缩吸收动量。就好像那面墙是安装在弹簧上的,弹簧在汽车的冲击下被压缩。
研究人员表明,核面释放的中微子可能比中子星核心释放的中微子要高效得多。这意味着意大利面很可能是冷却的主要原因。
霍洛维茨说,这项研究确实表明中子星冷却的速度比预期的要慢。这意味着他们活得更久。他说,时空的历史将不得不被调整,以解释它们在极热状态下经久不衰的不可思议。