卜仆，心、物、律 阅读原文 事实上，科学家研究中子星的最重要手段之一就是自己制作中子星。 直接观测当然是一个很好且必要的办法，通过对电磁波（γ 射线、X 射线、可见光、红外线、无线电）与引力波的观测，我们可以获取很多中子星的信息。但是对内部结构复杂的中子星来说这还远远不够。由于我们无法直接舀一小勺中子星来对其内部进行观察，因此要想真正探明中子星内部的物质构造就必须在地球上实际合成出「迷你中子星」来进行研究。 宇宙中的物质都是由原子构成的，这几乎已经形成了共识。再说细点，原子由原子核与电子，原子核又是由质子与中子构成，而质子与中子又分别为 3 种夸克（u,u,d 与 u,d,d）构成。也就是说，u 夸克、d 夸克、电子这 3 种基本粒子就是世间万物的基本结构。 图 1 构成原子的基本结构 不过，中子星显然是一个例外。由中子星的形成过程可知[1]，当无法继续发生核聚变的 Fe 原子星核在恒星坍缩的巨大压力下，电子竟然与 Fe 原子核中的质子被挤到一起发生反应，结果是带负电荷的电子与带正电荷的质子分别变成了不带电荷的中微子与中子。由于中微子几乎不与其他粒子相互作用，所以中微子可以直接穿透物质冲出星核进入太空[2][3]。最终星核处只剩下了超高密度的巨大中子块，于是中子星就形成了。 图 2 中子星的形成过程 那么，这样的中子星内部究竟是什么样的呢？由于电子全部变为中微子逃走，原子这种东西已经不存在了。在太阳系里，所有的东西都是由原子构成的（当然太阳内部是原子核与电子拆散的等离子状态），中子星显然是一个异类。那么中子星内部的结构到底是怎样的呢：是只由中子构成的呢？还是说皮和馅儿是不同的？抑或具有更古怪的结构？ 图 3 想象中的中子星结构 图 4 是目前推测的中子星内部的结构。从表面深入一点距离就是全部由密集的中子堆积而成的外核结构。而在密度更大的内核，存在着更加奇妙的物质：它们是核物质，却又不只是质子或者中子，而是由质子(p)、中子(n)、以及被称为 和的粒子混合而成的奇异核物质。（还有理论认为中子星的最内核为夸克物质） 图 4 中子星内部结构推测示意图（外核：中子物质，内核：奇异核物质）以及在地球上重现外核和内核结构时分别合成的「中子过剩核」与「超核」的示意图。 无论是外核的中子物质与内核的奇异核物质都是地球上不存在的结构，为了对中子星的内部结构进行研究，就需要我们「制作」出分别与中子星的外核与内核相类似的构造，来验证这样的假设是否合理。而在地球上能制作出的分别与外核「中子物质」及内核「奇异核物质」相对应的类似结构就是「中子过剩核」与「超核」。那么立刻就开始制作中子星吧。 中子星制作步骤一：制作中子过剩核（外核） 首先，对于外核的中子物质，科学家找到了一种与之类似的原子核结构。普通的原子核中，质子与中子的个数大体相当，但在实验室里可以人工合成出一种中子数大大多于质子数的「中子过剩核」。比如，在地球上稳定存在的 Li 原子核有 Z(质子数)=3，N(中子数)=3 的 Li-6 与 Z=3，N=4 的 Li-7。但如果使用加速器的话，就可以合成出 Z=3，N=8 的中子过剩核 Li-11。这样的原子核很不稳定短时间就会分解，不过这段时间已经足够对其性质进行详细调查了。这样的中子过剩核中，质子与中子并不像普通的原子核那样均等地混合在一起，而是如图 5 所示过剩的中子会像月晕（被称为「中子晕」）或者包子皮（被称为「中子皮」）一样包围在核的外侧。因此，只要研究这个仅有中子存在的部分就能知晓中子物质的性质了。 图 5 中子过剩核示意图 例如，让这样的原子核产生引起密度变化的振动，就能知晓中子物质的状态方程式（可从密度的变化求得能量与压力变化）。另外，从中子星表面向内部深入少许的话，中子物质因重力的压缩密度会变大。那么，用别的核去与中子过剩核发生冲突的话，冲突的瞬间会使密度变大，测定此时的信息就相当于研究深入中子星内部时的性质了。日本的理化研究所就运用 RI Beam Factory（RIBF）中的世界最大的超导环形回旋加速器（SRC）对中子过剩核进行着各种实验。 图 6 用于制作中子星外核的 RIBF 实验装置示意图 反过来，在中子星的表面附近，中子物质就像稀薄的气体一样。为探究表面的性质，就用激光使用超低温冷却的 Li 等气体原子进行实验。原子与中子虽然是完全不同的东西，但在低温而稀薄的气体状态下，两者的热力学性质是类似的。 中子星制作步骤二：制作超核（内核） 当我们继续深入中子星的内部到达密度更大的内核部分就会遇到更为奇特的奇妙物质。其实质子与中子还存在其他的小伙伴的。我们知道质子由 u,u,d、中子由 u,d,d 夸克组成。现在我们回到图 1，可以看到夸克可并不只有 u 和 d 这 2 种，而还存在着 c,s,t,b 一共有 6 种。当然，除了 u 和 d 之外，其余都是不稳定的，但在中子星这样的特殊结构中，被称为“奇夸克”的 s 夸克被认为是可以稳定存在的。而 s 与 u 或 d 组合就可以生成诸如粒子(u,d,s)、粒子(u,s,s)等被称为「超子」的粒子。这些粒子如果在加速器中生成的话，只要 1 皮秒（等于 1 万亿分之一秒，即 10 的负 12 次方秒）左右就会变成质子与中子，但是在超高密度的中子星的中心部竟然能自然的产生并稳定存在。在高密度的地方会产生粒子，在更高密度的地方会产生粒子。质子、中子、 、混在一起就形成了「奇异核物质」。 图 7 由 u,d,s 夸克组成的各种强子 那么，中子星里是否真的存在着这样的物质，这样的物质又具有怎样的性质呢？想要了解这些信息就必须知道 、 超子与质子、中子之间的作用力以及超子之间的作用力。目前，质子与中子间的核力的性质在理论上基本已经完善，但是对于超子的核力还没有弄清。为了对此进行研究，与外核一样，我们又必须在地球上制作中子星的内核了。这次我们要制作的就是向通常原子核内嵌入了超子的「超核」。 图 8 将具有奇夸克(s)的超子（Λ与Ξ粒子）嵌入通常原子核形成的超核示意图 迄今为止，科学家已经在地球上合成出了包含 1 个 的超核 39 种，包含两个 的超核 3 种，并且已经知道 粒子在核内受到了怎样的力。但是 粒子与 粒子受到的力还未弄清。图 9 是将超核也包含在内的各种核的 3D 核素图[4]。 图 9 包含超核的 3D 核素图 为了制作超核，我们仍需要利用加速器。对超核的研究可以说绝大多数都集中在日本，因此使用的加速器基本都是位于日本的质子加速器 J-PARC。 图 10 用于制作中子星内核的质子同步加速器 J-PARC 那么超核是怎样制作出来的呢？以 超核为例，简单说来有两个步骤：①首先加速质子束撞击靶原子核（金），这时会生成π介子与 K 介子。②选出含有 s 夸克的 K 介子。用 K- 介子撞击目标原子核，此时 K- 介子中的 s 夸克可能与原子核中子里的 d 夸克发生交换，这时就生成了同时含有 s,d,u 夸克的 粒子，于是超核就诞生了。而撞击的 K- 介子失去 s 夸克，得到 d 夸克生成的π- 介子。K-⇒π- 的变化就是成功得到 粒子的证据。而通过对 K- 与π- 的能量测定就能计算出超核的能量（质量）。 图 11 超核的“制作”方法 通过制作超核，我们对中子星的了解会更加深刻。事实上， 粒子的质量比中子要重 20%。在通常的世界里，中子是无法生成 粒子的，但在中子星的内部，中子则可以形成 粒子。这是因为如下图（右）所示，中子做旋转运动的能量 E 可以转化为质量，让 E=Mc2 中的 M 变大。于是中子就可以转变成 粒子了。但是，转变的程度是由 粒子与中子间的引力强度决定的，而这个信息只能从人工合成的超核中得来。下图（左）就是 2001 年高能加速器研究机构（KEK）对 Y 超核的研究结果之一。我们知道，原子核内质子和中子都因受引力分别绕轨道旋转，而 粒子也同样会受引力旋转。研究通过测定各个轨道的能量成功的求出了引力的强度。 图 12 对合成超核进行的研究（左）与中子星内实际发生的转变（右） 事实上在上述制作超核的过程中还可以得到的一个重要信息就是超核发出的「光」。通过夸克交换得到的超核处于激发态，当其回归到稳定态时会放出γ射线。 图 13 超核发出的「光」 例如以下就是一个利用超核发出的「光」来进行的实验。实验表明粒子可以大大破坏质子和中子间的对称性（电荷对称性）[5]。研究发现通过分别在质量相等的 3H 与 3He 中植入粒子后形成的 4H 与 4He 超核的质量竟然发生剧烈的变化。这种现象目前在理论上仍无法说明。另外，在中子星内部是否也会出现这种现象也令人好奇。 图 14 利用超核发出的「光」进行的实验 以上就是中子星的制作方法。 像这样，在地球的实验室制作中子过剩核与超核等特殊的原子核并进行调查就可以对中子星中的物质性质进行理论预想。接下来在电脑中根据建立的模型计算出这个假想中的中子星的半径、质量、冷却速度等各种性质[6]，最后结合天文观测得到的实际数据就能验证这些模型是否正确。这就是研究中子星的基本思路。 参考 ^中子星形成过程的简单描述可以参考以下回答 https://www.zhihu.com/question/401323751/answer/1337102086 ^以下回答中有对超新星 SN1987A 爆发时捕捉到中微子情况的记述 https://www.zhihu.com/question/403950257/answer/1344303651 ^Improved analysis of SN1987A antineutrino events. G. Pagliaroli, F. Vissani, M.L. Costantini, A. Ianni, Astropart.Phys.31:163-176,2009. https://doi.org/10.1016/j.astropartphys.2008.12.010 ^关于核素图的更详细说明可参考以下回答 https://www.zhihu.com/question/418070284/answer/1457312140 ^T.O. Yamamoto et al., Phys. Rev. Lett. 115 (2015) 222501 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.265502 ^中子星内部的物理性质（密度、压力等）千差万别，而这些因素会直接影响到中子星的大小与质量。通过将对中子星观测结果与模拟的内部构造模型建立合理的“核物质状态方程”是求解中子星半径与质量的一个重要手法。有兴趣的朋友可以继续阅读以下回答。 https://www.zhihu.com/question/408039061/answer/1358491749 阅读原文
