如果讓你説出宇宙中除了黑洞之外密度最高的天體，恐怕一般都會回答是中子星。的確，中子星讓人類第一次見識了原子核級別的高密度物質（可以將中子星看成是一個巨大的原子核），每立方厘米的質量高達1億到10億噸，顛覆了人們的想象。然而，就沒有比中子星密度更高的選手了嗎？還真有一位候選者，它就是本文的主角：夸克星。
中子星的藝術想象，夸克星也大致如此
夸克星的名字十分霸氣，夸克是構成質子、中子等基本粒子的更小的物質單元，夸克星顧名思義就是由夸克組成的星體，比中子星體積更小，而密度甚至可以達到中子星的幾倍甚至幾十倍，絕對是個厲害的角色！
夸克的尺度
按照恆星演化規律，中小質量的恆星的壽命末期會變成白矮星，更大質量的恆星在超新星爆發後形成中子星，當恆星的質量再大，但又不足以形成黑洞時，中子也會被壓碎，形成由夸克物質構成的“夸克星”。這聽起來很合理，但夸克已經進入了量子色動力學的領域，具有一些奇特的性質，如“漸近自由”、“夸克禁閉”等，事情就沒那麼簡單了。
今天，人馬君就與大家一起探尋神秘的夸克星，瞭解一下這個傳説中極端緻密天體的前世今生。
超新星能量之謎關於夸克星的預言，還要從超新星能量之謎説起。對於超新星爆發的機制，天文學家直至現在還沒能給出一個圓滿的解釋，這可能會讓大家感到很意外，説實話，人馬君也很意外！
超新星爆發
早在公元1054年，人類第一次記載了超新星。那時正是宋朝，司天監向皇帝彙報了“客星”的出現和消失。那次爆發形成了著名的蟹狀星雲和星雲中央的中子星。
蟹狀星雲
根據目前比較流行的II型超新星理論，在大質量恆星的生命末期，中心區域的氫燃料耗盡，開始了氦聚變，恆星隨之膨脹為紅超巨星。如果質量夠大的話，星體核心不斷合成更重的元素，並繼續釋放出能量。但當合成到鐵和鎳的時候，再通過聚變或α粒子吸收來合成更重的元素時，不僅不再釋放能量，反而需要吸收能量來克服庫侖斥力。
氦核聚變成碳12
因此，在紅超巨星的中心，就形成了一個鐵（鎳）核。當鐵核質量達到錢德拉·塞卡極限（1.44倍太陽質量），由泡利不相容原理產生的電子簡併壓將無法抵抗引力，鐵核變得不穩定。在引力的作用下，鐵核迅速坍縮，直到強相互作用力（中子簡併壓）與引力達到平衡為止。
超新星1987A爆發後噴出的物質
從這時起，理論與實際開始出現分歧。一開始，科學家認為鐵核坍縮過程產生了大量攜帶能量的中微子，與外殼物質相互作用，造成了超新星爆發，但計算表明，由於中微子與物質的作用非常微弱，這些中微子和能量不足以造成如此強烈的爆炸。後來，又提出了“反彈理論”：在鐵核坍縮後，外層物質隨之以極高速度向下墜落，撞擊在停止收縮的核心上，形成了反彈激波，激波向外傳播，炸開了恆星外殼，形成了爆發。
計算機模擬反彈激波
反彈激波向外擴展
反彈理論聽起來很靠譜，然而詳細分析表明，反彈激波會迅速衰減，根本無法把恆星炸成一朵大煙花。於是，科學家又提出了更進一步的理論：中微子加熱理論，它將中微子與反彈理論結合，指出核心坍縮釋放的中微子會加熱反彈激波後方的物質，形成“熱泡”，推動激波向外傳播，實現炸開恆星的“宏偉目標”。這一理論在計算模擬中實現了超新星爆發，但爆發的能量還是太小，與觀測不符。
聽了以上描述，您可能也瞭解了：到現在為止，還沒有一個理論能很好的解釋猛烈而常見的超新星爆發現象。這樣的問題怎能不引起大人物的注意，於是，M理論之父、有弦理論界“教皇”之稱的愛德華·威頓登場了。
“弦理論教皇”的猜想：奇異夸克物質在1970年代後期，科學界已經提出了夸克星的構想，即考慮恆星的質量夠大時，在鐵核坍縮後，即使是中子簡併壓也無法抵抗引力，核心會繼續壓縮，直到中子也被壓破，成為自由夸克“氣體”，而當夸克的簡併壓能夠抵抗引力時，就形成了夸克星。
然而，在夸克的世界裏，自由夸克“氣體”是一個很討厭的東西，於是，在如此強的壓力之下，夸克們似乎向着另一個截然不同的方向發展了。1984年，愛德華·威頓發表了一篇論文，提出了“奇異物質”的概念，以及由奇異物質構成的“奇異星”，與自由夸克“氣體”相比，這也許更接近夸克星的真實面目。
弦理論教皇：愛德華·威頓
在威頓的設想中，奇異物質由上、下和奇夸克組成，也就是u，d，s三種夸克。而構成自然界中一般物質的質子、中子，都是由3個u和d夸克組成的。由於存在“夸克禁閉”（即夸克之間的距離越遠，相互作用力越大），導致不存在遊離在外的夸克。而s夸克具有奇異量子數（在弱相互作用中不守恆），被稱為奇異夸克。
構成中子、質子等“重子”的夸克類型，左上角為中子，右上角為質子
前面説到，在超新星爆發時，恆星內部的鐵核崩潰坍縮，最後由中子簡併壓抵抗住了引力，形成了中子星的雛形。由於中子是費米子，它必須在空間中佔有體積，在中子星中，中子密度非常高，相互之間靠得很近，由此導致能量非常高（費米能），當高到一定程度時，一個u夸克和一個能量極高的d夸克，可能發生弱相互作用過程，轉化為一個u夸克和一個s夸克，而在一定條件下，s夸克也可以重新轉化為d夸克。當反應達到平衡時，u，d，s三種夸克的數量差不多，s夸克略少，形成了奇異物質，而中子星將成為奇異星，也就是夸克星。
威頓在1984年論文中指出，以奇異物質形式存在的夸克物質，其能量水平應該比中子星物質更低，也就比中子星物質更穩定。理論上，中子物質最終都應該轉化為奇異夸克物質，但這一過程可能比宇宙的壽命更長久。
理論計算表明，在超新星爆發前那一刻，中子物質一旦開始向奇異夸克物質轉化，速度可以用迅雷不及掩耳來形容。當達到合適的條件時（例如引力壓縮），中子物質通過強相互作用先轉化為由u、d兩種夸克組成的正常夸克物質，也就是所謂的自由夸克氣體，但它存在的時間甚至小於1微秒，隨後便通過弱相互作用轉化為u、d、s三種夸克組成的奇異夸克物質。一旦中子星的中心形成了奇異夸克物質，整個星體會在很短時間內全部轉變為奇異星，對於這一過程，科學家提出了爆轟和擴散兩種形式，轉變的時間從不足1秒到幾十秒不等。
由於奇異夸克物質的能量低於中子物質，在轉變過程中，將以中微子的形式釋放出大量能量，可以加熱外層物質，推動激波前進，終於讓計算中的超新星“成功”爆發了！
一個巨大的“基本粒子”夸克星的物質形態與正常世界裏完全不同，具有很多奇怪的現象。由於夸克禁閉被突破，整個夸克星實際上形成了一個巨大的基本粒子，如同一箇中子或一個質子一樣，這與中子星截然不同。
中子星與奇異夸克星
而夸克物質被束縛在一起，靠的卻並不是巨大的引力，而是整體的夸克禁閉，因此奇異夸克物質不一定要形成大的夸克星，也能以小塊的形式存在，而最小的奇異夸克物質就是著名的H雙重子，由2個u，2個d和2個s夸克組成。
據分析，夸克物質有着極高的黏性，由於三種夸克可以在不同的密度條件下可以相互轉化，任何振動都會被迅速抑制，因此會像糯米粘糕一下，很黏牙！
像糯米粘糕一樣黏……
如果一個夸克星由純夸克物質構成的話，由於夸克之間的作用距離非常短，短到不足1飛米（10^-15米），它的表面將異常光滑，沒有任何細小的起伏，只在外表包着一層薄薄的電子。
而如果夸克星吸積了來自其它地方的正常的原子核物質，會在外面形成一個核物質殼，這個殼與夸克物質之間有一個幾百飛米的間隙，間隙中的電場和電子阻止了核物質落在夸克物質上。如果吸積的物質越來越多，核物質殼的厚度越來越大，內側的原子核和電子密度越來越大，最終將電子壓入原子核，形成中子物質。由於中子不受間隙電場影響，可以向下落在夸克星上，使夸克星的體積變大。此時核物質殼的厚度就不會再增加了。
帶殼的夸克星
下面來探討一下大家關心的夸克星的密度問題。由於物質形態的不同，奇異夸克星和中子星的質量與半徑的關係差別相當大，下面的曲線可以直觀的表現出這種差異。
中子星與夸克星的質量與半徑的關係，不同的曲線類型表示不同的物態
可見，夸克星的半徑隨着着質量的增大而增大，而中子星的半徑隨着質量增大而減小，且一般不會小於10公里。當質量比較小時，同樣質量的夸克星的半徑可能僅為中子星的幾分之一，也就是説密度將比中子星大幾十倍，達到每立方厘米20億噸左右，非常驚人。像人馬君這麼大的一塊奇異夸克物質，重量可以達到160萬億噸，已經不能用“重於泰山”來形容了，因為這比1000個泰山還要重！
中子星與夸克星的典型大小
而質量比較大時，夸克星與中子星的大小可以重疊，也就是説，一些大質量的中子星和夸克星的密度是差不多的，這也是有時難以區分夸克星和中子星的原因。
尋找夸克星自從夸克星的概念被提出以來，天文學家尋找夸克星的努力就從未停歇，但是迄今為止，還從未找到能證明夸克星存在的確鑿證據，這是因為夸克星與中子星外在的特徵實在太像：直徑都很小，都有高速的自轉，都有很強的磁場，甚至都會有規律的發出電磁脈衝……如果説有區別，那就是夸克星的直徑會比中子星小，如果一個緻密星的直徑小於8公里，那很可能就是夸克星。但要測定這麼小的星體的直徑相當的難，只能在有吸積盤的情況下，通過測定吸積盤內圈直徑來估計。
還有一種方法：由於夸克性更加緻密，同時還具有極強的體黏滯性，因此可以承受更高的旋轉速度，如果一個緻密星的旋轉週期達到了亞毫秒級，那它也很可能是夸克星。
目前比較公認的夸克星候選者當屬RX J1856.5-3754和3C58， 這二位在錢德拉X射線望遠鏡下的成像是這樣的：
RX J1856.5-3754和3C58的X射線成像
RX J1856.5-3754是距離我們只有400光年的一顆緻密星，根據錢德拉望遠鏡的觀測數據分析，它的表面温度為70萬度，直徑可能不到12公里，比一般的中子星要小得多，很可能是一顆奇異夸克星。
而3C58則是一個在公元1181年就被中國和日本觀測到的超新星爆發的殘骸，距離我們一萬光年，雖然這是一顆很年輕的緻密星，但其温度卻已經低於100萬度，如此快的冷卻速度，在中子星理論中是無法解釋的，因此也認為可能是夸克星。
錢德拉望遠鏡拍攝的3C58附近圖像
除了上面兩個之外，夸克星的候選者還有很多，但它們都沒有得到確切的證明。同時，最小的奇異夸克物質單元——H雙重子也從未被實驗發現。對夸克星的探尋，依然是天文學界的一個熱門議題。
夸克星是“終極”嗎？夸克星雖然還沒有找到，好奇的人們已經在思考更激進的理論了：在夸克星和黑洞之間，還會不會存在更加緻密的天體呢？俗話説，人有多大膽，地有多大產，只要腦洞大開，創新點總會有的！人們已經提出了許多密度比夸克星還高的假想天體，例如以下這幾個瘋狂的想法：
先子星：雖然在實驗中，夸克和輕子是沒法再分了，但科學界曾經假設過一種更小的物質單元——先子，並假定夸克和輕子都是用先子構成的。如果先子存在的話，如果引力增大以至於夸克也被壓碎的話，有可能形成以先子簡併壓來抵擋引力的先子星。假如先子星存在，它的密度將達到每立方厘米100萬億噸，人馬君已夥呆！
電弱星：如果先子不存在的話，別急，還有一根稻草可用：夸克也會“燃燒”，它可能會通過電弱燃燒轉化為輕子，並釋放出能量，這些能量可以暫時抵擋一下過分巨大的引力，從而維持住星體而不變成黑洞。據説，一顆蘋果大小的電弱星的質量相當於兩個地球！但是隨着夸克的消耗，電弱星註定是不會長久的，大概只能存在一千萬年左右。
量子真空星：量子力學認為真空並不是空的，而是有虛粒子不斷出現和湮滅，當引力將物質壓縮到極致時，真空被極化，產生了斥力，形成了量子真空星。它的性質已經很接近黑洞，甚至用現有觀測技術很難將其與黑洞區分開來。
普朗克星：一種觀點認為黑洞並不存在，因為根據量子力學，物質的尺度不可能小於普朗克長度，引力把物質壓縮到1個普朗克密度之後，就達到了密度的極限，將無法再壓縮，從而形成了普朗克星，它甚至像黑洞一樣有事件視界。普朗克星是不穩定的，會立即發生反彈，但由於引力越強的地方時間流逝得越慢，在外面的觀測者看來，普朗克星的壽命與黑洞一樣長。
這麼看，普朗克星如果存在的話，應該是終極的緻密星了！
囉裏囉唆的説了這麼多，大家對夸克星應該有一些瞭解了吧？其實，包括夸克星在內的多種緻密星，還仍然只是理論上的猜想，這些猜想未必就一定成立，也許哪一天會被實驗或新的更靠譜的理論證偽。但這些假説代表了人類對未知的探尋，不管最終能不能成立，都具有開創性的意義。另一方面，人馬君深深的感受到，微觀和宏觀是統一的，如果我們搞不清楚微觀的機理，也就無法解釋宏觀的現象，這也許就是科學家們孜孜不倦的追求“大統一理論”的原因吧！
#中子星##夸克##黑洞#