科学家新发现：中子星合并的引力波信号揭示了夸克物质的可能性

中子星是宇宙中最神秘的天体之一。它们是恒星死亡后的残骸，在超新星爆炸的巨大能量下，原本巨大的恒星被压缩成只有几公里的小球，但却拥有比太阳还要重的质量。它们的密度是如此之高，以至于一茶匙的中子星物质就有数百万吨的重量。它们的表面温度可以达到数百万度，但它们的内部却可能隐藏着一个更加惊人的秘密——一种被称为夸克物质的极端状态。

夸克是构成物质的基本单元。它们与胶子一起组成了质子和中子，这些质子和中子又组成了原子核。通常情况下，夸克是被限制在质子和中子内部的，不能单独存在。这种现象被称为色禁闭。但是，在中子星的核心处，由于压力和温度极高，夸克可能会从质子和中子中解放出来，形成一种新的物质相。这就是冷夸克物质。

冷夸克物质是一种令人难以想象的物质状态。在这种状态下，单个质子和中子不再存在，取而代之的是一种由夸克和胶子组成的均匀的等离子体。这种物质的性质与我们熟悉的物质截然不同。它可能具有超导、超流和反常霍尔效应等奇特的现象。它甚至可能是宇宙中最稳定的物质形式。

赫尔辛基大学理论粒子物理学教授阿莱克西·沃里宁是研究夸克物质的专家。他对这种物质的特征进行了详细的解释。

“它们的组成夸克和胶子反而从它们典型的色禁闭中解放出来，可以几乎自由地移动。”他说。

然而，要证明夸克物质的存在并不容易，因为它们隐藏在中子星的深处，无法直接观测。到目前为止，人类对中子星的了解主要依靠电磁波和中微子的探测，但这些信号并不能提供足够的信息来判断中子星的核心是否由夸克物质组成。

为了解决这个难题，一个以赫尔辛基大学为中心的国际团队采用了一种新的方法。他们利用贝叶斯统计推断的大规模超级计算机运算，来分析中子星的质量和半径等观测数据，并根据不同的物理模型，来估计夸克物质核心的可能性。

贝叶斯推断是一种统计学的方法，它可以根据已有的证据和信息，来更新特定假设的概率。它是统计学特别是数理统计学中很重要的技巧之一。它的原理是利用贝叶斯定理，将后验概率，即考虑相关证据或数据后，某一事件的条件概率，作为先验概率，即考虑相关证据或数据前，某一事件不确定性的概率，和似然函数，即由观测数据的统计模型推导而得，这两个前因导出的结果。

在刚刚发表在《自然通讯》的一篇新文章中，该团队提供了一个关于巨大中子星内部夸克物质核心的可能性的首次定量估计。他们表明，基于目前的天体观测，夸克物质在最巨大的中子星中几乎是不可避免的：该团队提取出的定量估计将可能性定在80%到90%的范围内。

这一结果引起了物理学界的广泛关注，因为它意味着中子星可能是一种新的物质形式的载体，并且这种物质形式可能与我们所知的物质有着本质的不同。

所有中子星都只由核物质组成的剩余的小概率要求从核物质到夸克物质的变化是一个强的一级相变，有点类似于液态水变成冰。这种中子星物质性质的快速变化有可能使星体不稳定，以至于即使形成了微小的夸克物质核心，也会导致星体坍缩成黑洞。

这种情况下，中子星的命运将取决于核物质和夸克物质之间的相变强度。如果相变强度足够大，那么中子星就会在形成夸克物质核心的瞬间被撕裂成碎片，并释放出巨大的能量。如果相变强度较小，那么中子星就会在形成夸克物质核心后保持稳定，并继续存在。

为了区分这两种可能性，该团队提出了一种新的方法。他们认为，通过观测二元中子星合并的引力波信号，可以获得核物质和夸克物质之间的相变强度的信息。

引力波是由于时空的扭曲而产生的波动，它可以揭示宇宙中最极端的事件的细节，例如黑洞的碰撞和中子星的合并。2017年，人类首次探测到了一次中子星合并的引力波信号。这一事件被称为GW170817，它不仅验证了爱因斯坦的广义相对论，还为中子星的物理性质提供了重要的线索。

该团队指出，目前的引力波探测器还没有足够的灵敏度来捕捉到中子星合并的最后阶段的信号，但随着技术的进步，和更多的观测事件的积累，这一目标将在未来成为可能。

该团队的主要作者之一，约纳斯·纳蒂拉博士，是一位天体物理学家。他将于2024年5月开始担任赫尔辛基大学的副教授。他对这项工作的意义和前景表示了乐观。

“能够具体地看到每一次新的中子星观测如何使我们能够更精确地推断出中子星物质的性质，这是令人着迷的。”他说。

另一位主要作者，约纳斯·希尔沃宁，是一位在纳蒂拉和沃里宁的指导下工作的博士生。他强调了高性能计算在这项工作中的重要性。

“我们不得不使用数百万个CPU小时的超级计算机时间，才能将我们的理论预测与观测进行比较，并约束夸克物质核心的可能性。”他说。

他还感谢了芬兰超级计算机中心CSC为他们提供了所需的资源。

CSC是芬兰的国家超级计算机中心，它为芬兰的科学研究和教育提供了高性能计算和数据管理的服务。它拥有欧洲最先进的超级计算机之一，Kajaani 超级计算机中心。它的计算能力达到了每秒6.4亿亿次的浮点运算。

CSC的首席执行官 Kimmo Koski 对该团队的成果表示了祝贺。

“我们很高兴看到CSC的超级计算机为这项开创性的研究提供了支持。这项研究不仅揭示了中子星的奥秘，还展示了贝叶斯推断的强大能力。”他说。

他还表示，CSC将继续为芬兰和国际的科学家提供最优质的超级计算机服务。

这篇文章介绍了一项关于中子星和夸克物质的最新研究，它展示了科学家们如何利用天文观测和超级计算机来探索宇宙中最极端的物质状态。它也向我们展示了中子星的奇妙特性和夸克物质的神秘魅力。希望您能从中获得一些启发和乐趣。