仅次于黑洞的极端天体“夸克星”存在吗

2022 年 10 月一篇发表在《自然天文学》上的文章表示：天文学家在一个超新星遗迹中发现了一颗非常奇怪的中子星。它的质量异常的小，已经超过了已知的中子星下限。对此要么是现有的中子星模型需要完善，要么它可能根本就不是个中子星，而是一颗奇异星，比如夸克星。

大质量恒星在死亡时往往会经历超新星爆发，爆发抛射出的物质在向外膨胀的过程中会与星际介质相互作用，从而形成星云状的特殊天体，这被称为超新星遗迹（SNR）。

最有名的超新星遗迹应该要数距离我们 6500 光年的蟹状星云了，它中间那颗脉冲星就是九百多年前爆炸后残留下来的中子星。

中子星作为大质量恒星的残骸，它的质量通常不低于 1.44 倍太阳质量，也就是钱德拉塞卡极限。如果低于这个质量，那么致密星一般会是一颗没有经历过超新星爆发的白矮星，就像我们太阳将来的结局。

对于中子星的研究其中一个难点在于对距离的测量。比如今天说的这个超新星遗迹（HESS J1731-347），之前人们计算它应该位于一万多光年外。但是最近人们发现了这里隐藏了另外一颗亮星，于是研究人员利用欧航局的盖亚望远镜数据，重新计算了这片遗迹的距离。结果发现它比我们想象的要近得多，大约只有八千多光年。

这个结果直接影响到之前对中子星的特征估算。于是研究人员结合牛顿 X 射线望远镜数据，重新计算了该中子星的特征。结果是，这颗中子星的质量仅仅只有 0.77 倍太阳质量，半径大约 10.4 公里。

这个结果表示了它与已知的所有中子星都不一样，这意味着要么我们现有的中子星模型存在问题，要么它是一颗未知的奇异星，比如夸克星。

但是目前关于夸克星还没有比较靠谱的理论和模型，甚至在很多情况下，有些中子星被认为符合夸克星的一些特征。

我们知道，上世纪 60 年代天文学家发现了预言中的脉冲星，也就是旋转中的中子星。

那个时候人们对于比中子更小的夸克结构还没有太多的认识，只知道中子简并压可以在电子简并压之后继续抵抗恒星的引力塌陷。

如果恒星残骸的质量再大一些，突破了奥本海默极限，那么中子简并压也会扛不住，于是恒星就只能继续坍缩直至成为黑洞。但是在中子星和黑洞之间，是否还有中间过程，目前科学界任然没有确切答案。

甚至对于中子星来说，目前我们也没有完全搞清楚它具体的物质形态。因为中子星的内部结构取决于此时物质的状态方程。但是关于核子间的相互作用模型，至今仍然存在不确定性。尤其是在中子星内核部位这种超高密度环境中，在那里物质的组成状态可能会发生变化，这将使得物质可能出现新的结构和状态，反映在状态方程上就是会出现更多的自由度。

不同的状态方程给出的中子星结构大相径庭，但当今主流的模型都认为在中子星的内核中应该存在特殊的物质形态，比如超子物质。

平时我们所熟知的由质子、中子构成的物质，其内部都是由第一代费米子的上下夸克组成的。而超子除了上下夸克外，还至少含有一个第二代费米子 -- 奇夸克。

在一些夸克星模型中，这里的奇夸克可能来源于中子中的下夸克，这些下夸克在变为奇夸克的过程中伴随着巨大的能量释放。这可以在一定程度上弥补了传统中子星模型对超新星爆发能量来源的解释。

在这种模型里，中子星内部不仅有包含奇夸克的超子物质，还可能存在一些突破夸克禁闭的自由夸克物质。

可以看出，中子星和夸克星其实并没有明确的界限，它们只是侧重点不同的模型。中子星并不是单纯完全由中子构成的天体，夸克星也不是完全由自由夸克组成的夸克球，它们可能都有着复杂的内部结构和物质形态。

不过中子星和夸克星还是有一些区别，比如对于中子星来说，它的质量和半径的立方成反比，也就是质量越大中子星的个头越小。

M ∝ 1/R³

因为质量越大引力越大，物质越容易被拉向中心。而中子星的半径存在一个下限，大约是 10 公里。倘若质量再大些的话，中子星则会被压缩成黑洞。所以一个典型的中子星的质量范围通常在钱德拉塞卡和奥本海默极限之间，也就是大约 1.4~3 倍太阳质量。

但对于夸克星来说，它的质量与半径的立方成正比，也就是质量越大个头越大。

M ∝ R³

虽然和传统的中子星模型相比，夸克星内部除了强大的引力束缚外，还有核子间的强相互作用束缚，理论上更加致密。但是对于夸克星来说，它在质量构成方面和传统的中子星等天体存在很大不同。

之前说过，一般情况下希格斯机制只提供了物质的很小一部分质量。物质的绝大部分质量来源其实是夸克胶子间的各种相互作用赋予的。但对于夸克星这种奇异物质来说，它已经没有了夸克禁闭这种正常的物质结构，那么夸克星的实际质量在模型中将需要被重新修正。

另外和中子星不同的是，10 公里对于中子星来说是半径的下限，但对于夸克星来说 10 公里则成了半径的上限，而夸克星的半径下限可能压根不存在。这意味着某种意义上夸克星的范围非常宽泛，甚至如果有游荡在星际间的微小奇异物质，你都可以称其为"夸克星"。

如何形成一个夸克星呢？通常情况下除了由中子星演变来之外，夸克星也可能由其他大质量恒星直接演化而成。比如一些红超巨星，由它们演化成的 II 型超新星或沃尔夫-拉叶星，都可能会发展成夸克星。

目前有不少属性异常的中子星都被怀疑可能是夸克星。除了今天说的这个，像是已知距离我们最近的中子星（RX J1856.5-3754），它也是因为个头太小而被认为可能是一颗夸克星。

还有位于仙后座的这颗毫秒脉冲星 3C58，它因为异常高的冷却速率而无法用中子星模型来解释，因此也被怀疑是一颗夸克星。

还有位于大麦哲伦星系中的 SN 1987A，它是 1987 年在蜘蛛星云外围发现的一次超新星爆发。但是奇怪的地方在于，迄今为止人们在这里都没有找到那颗坍缩后的中子星。为此天文学家们提出了各种猜想来解释这颗失踪的中子星，其中一个说法就是它可能成为了一颗夸克星。

还有历史上最亮的超新星 SN 2005ap 和 SN 2006gy，它们在亮度方面表现得非常异常，是一般的 II 型超新星亮度的几百倍。这种异常明亮的超新星意味着那里有着大量额外能量存在，这也让人怀疑那里或许诞生了某种夸克星。

所以夸克星存在吗？正如刚才所说，现阶段我们对夸克星（包括中子星）了解得还非常有限，目前没有一个统一的靠谱模型可以解释所有现象。即使宇宙中真的存在夸克星这种天体，相信它也不会是某一天突然被我们发现。而应该会像中子星和黑洞一样，是随着科学的发展，认识不断地深入，从而逐渐被人们接受的一种新概念而已。

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo