⚛️ nuclear experiments

Neutron Star vs Quark Star in the Multimessenger Era

本研究通过对多信使数据进行贝叶斯推断并采用物理无关的状态方程，倾向于一种中子星与奇异夸克星共存的“两家族”情景，将 PSR J0740+6620 识别为一颗夸克星，并为奇异夸克物质的绝对稳定性提供了天体物理学支持。

原作者： Zheng Cao, Lie-Wen Chen

发布于 2026-09-10

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原作者： Zheng Cao, Lie-Wen Chen

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在宇宙深处，重力将物质压榨到地球上无法再现的极高密度，那里存在着人类已知最极端的物体：致密星。这些是质量巨大的恒星在自身重量下坍缩后的残骸，将比太阳还要大的质量压缩进一个仅有几十公里宽的球体中。几十年来，天文学家一直在争论这些物体的组成成分。标准观点认为它们是中子星，即质子和电子被挤压在一起形成中子的宇宙团块，从而产生一种极其致密的流体，哪怕是一茶匙的重量也高达十亿吨。然而，另一种竞争性的观点认为，在如此极端的压力下，甚至中子也会分解为其基本构建模块——夸克——从而创造出一颗完全由奇特的、自由流动的夸克“汤”组成的恒星。关于这些恒星是由中子还是夸克组成的疑问，不仅仅是一个分类问题；它触及了支配物质在极端状态下如何行为的基本物理定律。

上海交通大学研究人员的一项新研究通过将宇宙视为一个巨大的实验室，为这个古老的谜题带来了全新的视角。该团队并没有假设所有这些坍缩后的恒星都是同一种类型，而是使用了一种强大的统计方法来分析来自多个来源的数据，包括来自恒星碰撞的引力波以及来自美国国家航空航天局（NASA）X射线望远镜对脉冲星的精确测量。他们提出了一个简单而深刻的问题：如果我们观察观测到的整个致密星家族，它们是属于同一个物种，还是有两种截然不同的类型并存？通过将观测数据与三种不同情景进行对比——一种是每颗星都是中子星，一种是每颗星都是夸克星，另一种是两种类型共存——研究人员发现，宇宙可能比之前想象的更加多样化。

研究人员并没有依赖于某种单一的关于恒星内部物质行为的理论。相反，他们构建了一个灵活的、数据驱动的模型，该模型可以根据观测结果进行调整，从而让数据本身“说话”。他们向该模型输入了来自六个特定天体的信息：四颗质量和大小都经过高精度测量的脉冲星，以及著名的引力波事件 GW170817 中涉及的两颗恒星，后者提供了关于这些恒星被挤压难易程度的线索。他们还纳入了基于我们对粒子物理学最佳理解所推导出的、关于物质在极高密度下行为的理论极限。团队随后测试了这六颗星的所有可能组合，询问每一颗星是中子星还是夸克星，以观察哪种整体排列最符合数据。

结果强烈指向了“两大家族”的情景。在可能性最高的案例中，宇宙包含两个截然不同的致密星分支。较重、质量较大的恒星属于一个家族，而较轻的则属于另一个。具体而言，研究表明，观测到的最重的脉冲星——被称为 PSR J0740+6620 的天体——很可能是一颗奇异夸克星，即一个由去禁闭夸克完全构成的自结合物体。相比之下，样本中的其他五颗星（包括产生引力波碰撞的那两颗星）则更适合被描述为传统的中子星。这一发现具有重要意义，因为它解决了一个长期存在的天体物理学矛盾。中子星被预期有一个最大尺寸限制；如果它们变得太重，就应该坍缩成黑洞。然而，我们确实观测到了质量接近太阳两倍的脉冲星。如果所有的恒星都是中子星，其内部结构需要极其坚硬才能支撑起这样的重量，但这种坚硬度会使其尺寸过大，无法符合较小恒星的尺寸测量值。通过允许重质量恒星成为完全不同种类的物体，这项研究提供了一个自然的解决方案：重质量恒星是夸克星，它可以更重且更紧凑，而较轻的恒星则保持为具有更软、更具柔韧性结构的传统中子星。

研究还揭示了声波在恒星内部物质中传播的速度，这一属性告诉我们材料的硬度或柔软度。在所有恒星都是中子星的情景下，声速在特定密度下会出现一个意外的尖峰，这一特征困扰了物理学家多年。然而，在备受青睐的两大家族情景中，这个尖峰消失了。取而代之的是，声速稳步上升然后趋于平缓，这种更平滑的行为更符合物质在如此巨大的压力下应有的理论预期。这表明中子星的内部结构与夸克星有着本质的区别，且宇宙并不强迫所有致密星都遵循单一的模具。

虽然证据尚未达到绝对定论，但数据的统计权重倾向于这种混合种群。研究人员计算出，两大家族情景的可能性约为全由上-下夸克星组成的场景的六倍，并且显著高于全为中子星的情景。这种置信水平被描述为“中等证据”，意味着数据强烈指向这一方向，但也为未来的观测提供了进一步完善图像的空间。将最重的恒星归类为夸克星对物质的本质也有深远影响。它支持了一个假设，即奇异夸克物质可能是宇宙中最稳定的物质形式，可能存在于一种永不衰减的状态中。如果这是真的，这意味着这种被称为“奇异子”的微小奇异物质碎片可能从早期宇宙中幸存下来，甚至可能构成暗物质的一种形式，尽管这目前仍是一个推测性的可能性。

研究还测试了这些结论对于天文学家如何解读来自特定脉冲星 PSR J0030+0451 数据的敏感程度。取决于用于分析该恒星表面热点的模型，该特定恒星的分类可能会在中子星或夸克星之间发生偏移。然而，将最重的恒星 PSR J0740+6620 识别为夸克星的结果在所有测试模型中都保持稳健。这种稳定性表明，这两个家族之间的区别是宇宙的一个真实特征，而非仅仅是由于我们测量特定物体的方式所产生的偏差。随着新的望远镜和引力波探测器的投入使用，它们将提供更精确的数据，可能最终证实这两个家族是否真的在夜空中并存，从而揭示出一个比我们想象中更为复杂多变的恒星残骸群体。

技术摘要：多信使时代下的中子星与夸克星

问题陈述
作为脉冲星和引力波（GW）事件中观测到的致密星（CSs），其内部组成与本质仍是核物理、粒子物理及天体物理学中的核心不确定性。虽然这些天体的核心密度达到了核饱和密度（ $n_0 \approx 0.16 \text{ fm}^{-3}$ ）的数倍，但由于量子色动力学（QCD）的非微扰性质，极高密度下的物质状态方程（EOS）尚未得到充分理解。目前存在三种主要的竞争方案来描述天体物理种群：

中子星（NS）方案： 所有致密星均为中子星，其核心可能包含奇异自由度（超子、 $\Delta$ 共振态或解禁闭夸克物质）。
上-下夸克星（udQS）方案： 基于上-下夸克物质（udQM）是强相互作用物质基态的假设，所有致密星均为自结合的 udQS。
两家族（TF）方案： 基于维滕假设（即奇夸克物质（SQM）是真正的基态），中子星与自结合的奇夸克星（SQSs）作为两个不同的分支并存。

以往的研究通常预设了特定致密星的性质，或者仅侧重于单一方案，未能利用当前的多种信使数据对所有竞争假设进行系统性的、模型无关的比较。

方法论
作者进行了系统的贝叶斯推断与模型选择，以确定单个致密星的本质及致密物质的属性。

物理无关的 EOS： 研究使用非参数化高斯过程（GP）回归构建了 NS 和 QS 物质的 EOS。这种方法最大限度地减少了模型依赖性。
- 对于 NS 物质，GP 以从头算手征有效场论（ChEFT）在 $1.5n_0$ 以下的结果为条件，并外推至 $12n_0$ 。
- 对于 QS 物质，EOS 直接从自结合特性（在有限表面密度处压力消失）构建，其中表面密度和化学势被视为自由参数。
数据整合： 分析结合了多种信使观测结果与理论约束：
- NICER： 用于 PSR J0740+6620、PSR J0030+0451、PSR J0437−4715 和 PSR J0614−3329 的质量-半径测量。
- GW170817： 来自双星并合的潮汐形变约束。
- 理论约束： 来自低密度区（ChEFT）以及渐近高密度区（ $\sim 40n_0$ ，微扰 QCD）的从头算结果。
贝叶斯模型选择： 作者定义了 66 个竞争案例：1 个 NS 案例，1 个 udQS 案例，以及 TF 方案中的 64 个案例（代表六个观测到的致密星所有可能的 NS/SQS 分配组合）。他们使用贝叶斯因子（ $B_{1/2}$ ）来量化每个案例相对于参考（udQS 案例）的证据强度。

关键结果

首选方案： 系统性的贝叶斯模型选择识别出 两家族（TF）方案 是最受青睐的。具体而言，案例 TF-QNNNNN（即 PSR J0740+6620 为 SQS，其余五个为 NS）是最可能的，其相对于 udQS 案例的贝叶斯因子为 6.1，构成“中等证据”。
- NS 方案和 udQS 方案在数据支持程度上相当（ $B_{NS/udQS} \approx 1.0$ ），表明单一家族模型无法同时满足所有观测约束。
致密星分类： 在最受青睐的案例（TF-QNNNNN）中：
- PSR J0740+6620 ( $M \sim 2M_\odot$ ) 被倾向于判定为奇夸克星（SQS）。
- PSR J0030+0451、PSR J0437−4715、PSR J0614−3329 以及 GW170817 的组分 被倾向于判定为中子星（NS）。
- 观测到 PSR J0030+0451 的分类对所使用的特定 NICER 热点模型（ST+PDT vs. ST+PST vs. PDT-U）具有敏感性，而将 PSR J0740+6620 识别为 SQS 的结论在不同数据集下保持稳健。
宏观性质：
- 最大质量（ $M_{TOV}$ ）： TF 方案中推导出的 NS 分支最大质量为 $M_{TOV} = 1.72^{+0.18}_{-0.16} M_\odot$ ，显著低于单一家族 NS 方案中的 $2.09 M_\odot$ 。相反，SQS 分支支持更高的最大质量 $M_{TOV} = 2.63^{+0.36}_{-0.31} M_\odot$ 。
- 半径： 与单一家族 NS 案例（ $R_{1.4} \approx 11.73$ km）相比，TF 方案中的 NS 分支倾向于更小的半径（ $R_{1.4} \approx 11.16$ km），这与 GW170817 的潮汐形变数据一致。
微观性质（声速与迹异常）：
- 在单一家族 NS 方案中，平方声速（ $c_s^2$ ）在中间密度（ $n \approx 4n_0$ ）处表现出显著峰值（ $\sim 0.6c^2$ ）。
- 在受青睐的 TF 方案中， $c_s^2$ 在 NS 和 SQS 物质中均随密度单调增加并在高密度下趋于饱和，没有出现中间峰值。
- 相比于仅有 NS 的情况，TF 方案中的迹异常演化更为平滑。

意义与主张
本文声称提供了一个识别单个致密星性质的新型、模型无关的框架。研究的主要意义在于：

解决冲突： TF 方案自然地解决了解释某些脉冲星较小半径（如 PSR J0614−3329）所需的软 EOS 与解释高质量脉冲星（如 PSR J0740+6620）所需的硬 EOS 之间的矛盾。在这种图景下，大质量天体是 SQS，而较轻的天体是 NS。
支持维滕假设： 对 NS 与自结合 SQSs 并存现象的中等证据，为奇夸克物质的绝对稳定性（维滕假设的必要条件）提供了潜在的天体物理学支持。
暗物质启示： 作者指出，如果 SQM 是绝对稳定的，那么宏观奇夸克团块（strangelets）可能作为重子暗物质候选者存在，这为致密星观测与宇宙学之间提供了某种投机性但引人入胜的联系。
稳健性： 研究表明，尽管特定脉冲星（如 PSR J0030+0451）的分类取决于观测建模细节，但对两家族结构的偏好以及将最重脉冲星识别为 SQS 的结论，是当前多种信使数据下的稳健特征。

作者总结道，多信使时代揭示了一个比此前假设更为复杂的致密星种群，倾向于 NS 与 SQSs 并存，未来的观测（如来自 eXTP 和爱因斯坦望远镜的观测）将对于证实这一范式至关重要。

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