新的理論分析表明，大質量中子星隱藏著夸克物質核心的可能性在80%到90%之間。這項結果是利用貝葉斯統計推論法透過大規模超級電腦運作得出的。中子星內核所包含的物質密度是當今宇宙中最高的，在一個直徑為25 公里的球體中壓縮了多達兩個太陽質量的物質。這些天體的確可以被看作是巨大的原子核，重力將它們的內核壓縮到超過單一質子和中子許多倍的密度。

大質量中子星內部不同層次的藝術印象，紅色圓圈代表相當大的夸克物質核心。資料來源：Jyrki Hokkanen, CSC

從粒子物理學和核子物理學的角度來看，這些密度使得中子星成為有趣的天文物理天體。一個長期懸而未決的問題是，中子星巨大的中心壓力能否將質子和中子壓縮成一種新的物質，即冷夸克物質。在這種奇異的物質狀態中，單一質子和中子已不復存在。

赫爾辛基大學理論粒子物理學教授亞歷克西-沃里寧（Aleksi Vuorinen）解釋說：”它們的組成夸克和膠子從典型的顏色束縛中解放出來，幾乎可以自由移動。”

大質量中子星內部不同層次的藝術印象，紅色圓圈代表相當大的夸克物質核心。資料來源：Jyrki Hokkanen, CSC

在剛發表在《自然-通訊》（Nature Communications）雜誌上的一篇新文章中，以赫爾辛基大學為中心的一個研究小組首次對大質量中子星內部出現夸克物質核心的可能性進行了量化估計。他們的研究表明，根據目前的天文物理觀測結果，夸克物質在質量最大的中子星中幾乎是不可避免的：研究小組提取的定量估算結果顯示，這種可能性在80%-90%之間。

所有中子星僅由核物質組成的剩餘可能性很小，這就要求從核物質到夸克物質的變化是一種強烈的一階相變，有點類似於液態水變成冰的過程。中子星物質性質的這種快速變化有可能破壞中子星的穩定，以至於形成即使是微不足道的夸克物質核心也會導致中子星坍縮成黑洞。

來自芬蘭、挪威、德國和美國的科學家之間的國際合作進一步表明，夸克物質核心的存在有朝一日可能會被完全證實或排除。關鍵在於能夠限制核物質和夸克物質之間相變的強度，預計一旦有一天記錄到雙中子星合併最後一部分產生的引力波訊號，就有可能實現這一目標。

利用觀測數據進行大規模超級電腦運行

得出新結果的一個關鍵因素是利用貝葉斯推理進行的一組大規模超級電腦計算，貝葉斯推理是統計推理的一個分支，透過與觀測數據的直接比較推斷不同模型參數的可能性。這項研究的貝葉斯推理部分使研究人員能夠推導出中子星物質特性的新界限，證明它們接近最大規模穩定中子星核心附近的所謂保形行為。

Joonas Nättilä博士是論文的主要作者之一，他認為這項工作是一項跨學科的工作，需要天文物理學、粒子物理學、核物理學以及電腦科學的專業知識。他即將於2024 年5 月開始在赫爾辛基大學擔任副教授。

“每一次新的中子星觀測都能讓我們越來越精確地推斷出中子星物質的特性，這一點非常吸引人”。

另一方面，在奈蒂萊和武里寧指導下工作的博士生約納斯-希沃寧（Joonas Hirvonen）強調了高效能運算的重要性：

“我們必須使用數百萬小時的超級電腦CPU時間，才能將我們的理論預測與觀測結果進行比較，並確定夸克物質核心的可能性。我們非常感謝芬蘭超級電腦中心CSC為我們提供了所需的一切資源！”

參考文獻：《強相互作用物質在大質量中子星中表現出去封閉行為》，作者：Eemeli Annala、Tyler Gorda、Joonas Hirvonen、Oleg Komoltsev、Aleksi Kurkela、Joonas Nättilä和Aleksi Vuorinen，2023年12月19日，《自然-通訊》。

DOI: 10.1038/s41467-023-44051-y

編譯來源：ScitechDaily