宇宙級事件如何讓我們知曉物質的基本屬性？

博科園：本文為天體物理學類

作為宇宙事件之一的中子星合併，其影響也是範圍廣大，同時也是黑洞誕生的方式之一！測量兩顆正在合併中子星引力波的機會，可以回答有關物質結構的一些基本問題。在合併過程中極高的溫度和密度下，科學家們已經推測出一種相變，在這種相變中中子溶解成它們的組成夸克和膠子。兩個國際研究小組報告了他們對引力波中這種相變特徵的計算結果，其研究發表在《物理評論快報》上。夸克，物質最小的組成部分，在自然界中從不單獨出現。它們總是緊緊地束縛在質子和中子中。然而，和太陽一樣重的中子星，卻只有法蘭克福這樣的城市那麼大，其核心密度如此之大

博科園-科學科普：以至於可能會發生中子物質向夸克物質的轉變，物理學家把這個過程稱為相變，類似於水的液-氣相變。特別是，這種相變在理論上是可能的，當中子星合併形成一個質量非常大的超穩定物體，密度超過原子核，溫度是太陽核心溫度的10000倍。中子星合併發出的引力波測量可以作為外層空間可能發生相變的一種信使。相變應該在引力波信號中留下特徵特徵。來自法蘭克福、達姆施塔特和俄亥俄(歌德大學/FIAS/GSI/肯特大學)的研究小組，以及來自達姆施塔特和弗羅茨瓦夫(GSI/弗羅茨瓦夫大學)的研究小組使用現代超級計算機計算出這個簽名可能是什麼樣子。

用超級計算機計算中子星合併的模擬，不同的顏色顯示了質量密度和溫度在合併發生後的一段時間以及物體坍縮成黑洞之前，夸克預計會在溫度和密度較高的地方形成。圖片：C. Breu, L. Rezzolla

為此，他們使用了多種相變理論模型。如果在實際合併後發生更多的相變，那麼在合併後的對象中會逐漸出現少量夸克。歌德大學理論天體物理學教授Luciano Rezzolla：藉助愛因斯坦方程，我們第一次能夠證明，結構上的這種細微變化將產生引力波信號的偏差，直到新形成的大質量中子星在自身的重量下坍縮，形成黑洞。在Darmstadt的GSI Helmholtzzentrum fur schwerionschung博士的計算機模型中，一個相變已經在合併之後直接發生：一個夸克物質的核心在中心物體的內部形成。鮑斯文說：我們成功地證明，在這種情況下，引力波信號的頻率將發生明顯的變化。

因此，確定了中子星合併引力波相變的一個可測量標準。並不是所有引力波信號的細節都可以用電流探測器測量到。然而，它們將成為可觀測的下一代探測器，以及與我們相對接近的合併事件。互補的方法來回答這個問題夸克物質提供兩個實驗：在GSI現有的HADES裝置上碰撞重離子，在GSI目前正在建設的反質子和離子研究設施(FAIR)上碰撞未來的CBM探測器，將產生壓縮核物質。在碰撞中，有可能產生類似中子星合併時的溫度和密度。這兩種方法都對核物質相變的發生及其基本性質提供了新見解。

博科園-科學科普｜研究/來自: 亥姆霍茲德國研究中心協會

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.061101

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.061102

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