探测中子星碰撞产生的引力波，寻找夸克物质之核

新的夸克物质理论研究对中子星的特性做出了预测，我们有望在不久的未来验证这一预测。图：旋转中子星发出的X射线和红外辐射。图片来源:NASA/CXC/SAO; NASA/JPL-Caltech

2016年2月，科学家们取得了跨时代的发现，观测到了2个黑洞融合时发射的引力波。现在，科学家希望发现中子星相关的引力波，这可以来自2颗中子星间或1颗中子星与一个黑洞间的碰撞。

欧洲粒子物理研究所和挪威斯塔万格大学科学家阿莱克斯·库克拉（Aleksi Kurkela）和芬兰赫尔辛基大学科学家阿莱克斯·沃瑞恩（Aleksi Vuorinen）在《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表的论文表示，他们发明了一种分析方法，可以用来揭示存在于中子星核心中的超高密度物质——“夸克物质”（quarkmatter）的特性。在不久的将来，利用引力波探测数据就可以检验他们的论断。

目前，人们对夸克物质的分析都基于一个近似假设：它的温度等于绝对零度。尽管绝对零度的近似假设适用于大多数的中子星，但由于中子星碰撞时的温度极高，因此可能会需要额外的修正。

在论文中，两位科学家将高温效应纳入了夸克物质状态方程，使方程在略微高于零度的条件下也可以应用。改进后的理论将适用于中子星碰撞时的条件，并中子星核夸克物质特性做出较为精确的描述。

夸克物质

中子星是几乎完全由中子组成的物质，而中子是由夸克组成的。一般情况下，夸克被紧密地束缚在中子中，但是科学家们认为中子星内部巨大的压力和密度足以打破中子的结构，从而释放出夸克，构成“夸克物质”——由夸克和把夸克粘合起来的胶子组成的物质。

目前，夸克物质的特性还不明朗，主要是因为它在地球上几乎没有。科学家通过高能粒子的碰撞可以产生夸克——胶子等离子体，但只能存在极短时间，因此很难对其特性进行研究。

通过引力波探测夸克物质

中子星和引力波提供了探测夸克物质的另外一种可能性，通过中子星碰撞产生的引力波，科学家可以获得夸克物质的大量信息。

具体来说，2颗中子星碰撞，或1颗中子星和1个黑洞碰撞产生的引力波可以提供中子星结构的详细信息，进而可以根据夸克物质状态方程分析夸克物质的热力学特性。

不过，从理论上描述夸克物质的特性和探测微弱的引力波一样困难，因为方程中涉及了中子星中的高能物质的强力，

两位作者称，他们作为粒子物理学家的目的是根据量子色动力学（quantum chromodynamics，QCD）和强相互作用理论的基本原理来推导夸克物质状态方程。这项工作极具挑战性，但已经完成。只要引力波的观测精度足够高，那么理论模型就可以来解释中子星核中夸克物质的特性，并最终判断中子星的核是否由夸克物质组成。

该理论结果也适用于加速器产生的夸克-胶子等离子体，但科学家认为夸克等离子体的特性不同于中子星中的夸克物质。具体来说，夸克-胶子等离子体的温度很高，但密度很低；而夸克物质密度很高，温度却很低。两位科学家的理论对夸克-胶子等离子体和夸克物质的特性进行了统一解释，能够在任何温度下成立。

两位科学家打算在未来继续改进他们的理论。他们表示，通过与北美和欧洲同行的合作，有望将理论拓展并适用于弱耦合（weak coupling）条件，这样就可以更精确地描述冷夸克物质的特性。

编辑：离子心

参考: Physical Review Letters.  DOI:10.1103/PhysRevLett.117.042501 

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