Hybrid Stars with Different Amount of Quark Matter

在宇宙深处，远在任何望远镜或航天器所能触及的范围之外，存在着宇宙中最极端的实验室：中子星。这些是质量巨大的恒星死亡后坍缩而成的核心，被挤压得如此之紧，以至于其物质中仅一茶匙的重量就相当于一座山脉。在这些恒星残骸内部，物质被挤压得如此紧密，以至于挑战了我们在日常生活中观察到的规则。在压力无法想象的最中心，原子本身可能会发生破碎。通常将物质结合在一起的质子和中子可能会溶解成由更小的构建模块组成的“汤”，即夸克。这种假设的物质状态，即夸克不再被锁定在粒子内部而是自由游走的状态，被称为夸克物质。如果它存在，它将形成一颗混合星——一种拥有由奇异夸克物质组成的核心，并由普通核物质组成的壳层构成的宇宙天体。了解这些恒星是否存在以及它们长什么样，是现代天体物理学面临的重大挑战之一，因为这将揭示自然界在最剧烈的条件下是如何运作的。

多年来，科学家们一直试图通过将理论模型与现实世界的观测相结合，来拼凑出这些恒星的内部结构。他们拥有来自望远镜的数据，这些望远镜观测着从中子星表面反射出的X射线；他们也拥有来自引力波探测器的数据，这些探测器能够倾听两颗中子星碰撞时引起的时空涟漪。在最近的一项研究中，来自葡萄牙科英布拉大学的一个研究小组重新审视了这个谜题。他们此前曾创建了一套模型，暗示最重的中子星必须包含巨大的奇异夸克物质核心。然而，他们的新工作提出了一个不同的问题：如果夸克核心要小得多，甚至几乎不存在呢？通过放宽“核心必须巨大”这一严格要求，他们生成了一组新的可能性，这与最新的天文测量结果更加吻历。

研究人员使用了一种强大的统计方法来筛选数千种可能的情景。他们从两个主要成分开始构建模型：一个是关于恒星外层存在的普通物质的描述，另一个是关于中心潜在夸克物质的描述。随后，他们根据一份严谨的现实世界数据清单对这些模型进行了测试。这份清单包括了核物质的已知属性、NICER X射线望远镜观测到的几颗特定中子星的精确质量和尺寸，以及LIGO和Virgo天文台探测到的两颗中子星碰撞的细节。在他们之前的工作中，他们强迫模型产生具有巨大夸克核心的恒星，这使得从普通物质到夸克物质的转变发生在相对较低的密度下。在这次新的研究中，他们取消了这一特定限制。他们仍然要求最重的恒星内部含有一些夸克物质，但允许其核心的大小在微小到巨大之间任意变化，让数据来决定哪种情况最有可能。

新方法的结论令人震惊。那些允许较小夸克核心的模型（研究小组将其称为“SmallQ”集）产生的中子星半径略小，且变形程度较低，这比他们之前的模型更符合实际观测。在之前的拥有大核心的模型中，向夸克物质的转变发生在约为普通原子核密度的两倍到两倍半的密度下。而在新的、更成功的模型中，这种转变被推向了恒星更深处，发生在三倍到四倍半普通核密度的范围内。这种转变延迟意味着恒星的普通物质壳层更厚，且奇异核心更小，或者在某些情况下，即使在最重的恒星中也几乎不存在。

这种相位转变时机的改变也改变了恒星的内部组成。在具有大核心的模型中，夸克物质由上夸克和下夸克主导。在新的、具有较小核心的模型中，奇异夸克（一种更重的夸克类型）变得更加丰富，在核心组成中占据了更大的比例。有趣的是，新模型表明，一些最重的中子星（那些重量达到太阳两倍的恒星）可能几乎不含夸克物质。这挑战了“最重的恒星必然由奇异物质主导”的观点。相反，它表明向夸克物质的转变是一个罕见事件，只有在极其极端的压力下才会发生，或者在一些我们观测到的最重的恒星中根本不会发生。

这项研究还观察了中子星的大小如何随其质量增加而变化。对于仅由普通物质构成的恒星，半径往往会随着恒星变重而缩小。对于含有奇异物质的恒星，这种关系可能更为复杂。研究人员发现，在他们的新模型集中，相当数量的恒星在低质量阶段仍表现出正斜率的质量-半径关系，这意味着它们随着重量增加而变得稍大。然而，在质量达到太阳的1.8倍时，绝大多数此类模型都回归到了预期的缩小行为。这是一个至关重要的区别，因为在他们之前拥有大核心的模型中，即使在这些高质量阶段，正斜率也是普遍现象。这些新模型在高质量阶段大多表现出标准的缩小行为，同时仍能符合观测数据，这一事实表明，并不需要存在一个巨大的夸克核心来解释我们所看到的恒星。

最终，这项工作完善了我们对宇宙中最致密物质的理解。通过允许夸克核心的大小自由变化而非强制其巨大，研究人员找到了一组与我们观测到的宇宙更加一致的模型。这些模型表明，如果夸克物质存在于中子星的心脏中，它很可能被局限在非常中心的微小区域，仅在密度达到极端水平时才会出现。这些发现并未排除夸克物质存在的可能性，但它们确实表明，向这种奇异状态的转变比此前认为的更难实现。随着天文学家继续收集更多关于中子星大小和质量的精确数据，这些经过完善的模型将作为一个关键指南，帮助确定这些宇宙巨兽的核心是由长期以来被理论化的奇异、自由游走的夸克组成，还是依然由构成我们这个世界的熟悉物质组成。