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恒星死亡方式或遭改写:这颗恒星没有坍缩成黑洞,而是变成了量子星?


当一颗大质量恒星死亡,它的归宿可能是中子星,或是能够吞噬一切的黑洞——这是现代物理学界对恒星结局的主流认知。然而,一项新研究正试图挑战这一观点:一些天体物理学家认为,在中子星和黑洞之间,可能还存在被称作黑星(black star)或引力真空星(gravastar)的星体。


撰文 | Charles Q. Choi

翻译 | 张克文

审校 | 吴非


当一颗巨型恒星死亡时,它不会消失殆尽,而是坍缩、留下一个紧致的恒星遗骸。遗骸可能只有一座城市大小,由高密度的中子组成,因而被称为中子星。在极端情形下,绝大多数理论物理学家都相信,死亡恒星会形成黑洞,它的中心是密度无穷大的奇点,引力强到连宇宙中最快的光都无法逃脱其束缚。而现在,一项新的研究正在试图挑战对恒星归宿的认识:在中子星和黑洞之间,可能还存在被称作黑星(black star)引力真空星(gravastar)的星体。如果这一设想成立,这意味着除了不会吞噬光线这一关键点以外,这些奇异的恒星尸体和黑洞几乎一模一样。


我们有众多理由来寻找这样的星体,因为黑洞的存在引起很多理论上的问题。比如,黑洞的奇点应该是藏在名为事件视界的不可见边界内。把东西扔进黑洞,一旦进入事件视界,它就会永远消失。但这与另一项被长期珍视的物理定律相冲突,它认为信息是无法被摧毁的,包括落入黑洞的物体所携带的信息。


在过去的二十年间,不含有奇点和事件视界的黑星及引力真空星模型被提出并有所发展,这在一定程度上回避了上述矛盾。但问题在于,这样的星体是否真的会形成、如果形成它们是否会保持稳定。在最新研究中,来自意大利国际高等研究院的理论物理学家Raúl Carballo-Rubio为黑星、引力真空星的存在提出了一种新颖的机制。


Carballo-Rubio研究了一种名为量子真空极化(quantum vacuum polarization)的奇特现象。亚原子粒子是如何运作的?对于这一问题,目前最好的理论来自量子物理,该理论表明现实是模糊的,这会限制人们对物质基本单元性质的了解。比如,我们永远无法在某一时刻同时知道一个粒子的位置和动量。这一不确定性的一个奇特结果就是“真空不空”,实际上真空是由不断出现、湮灭的,名叫“虚粒子”的物质填充的。


巨型恒星的坍缩会释放巨大的能量,之前的研究发现这些虚粒子会被极化,或者是由它们自身的性质形成特定的分布,与磁铁的南极和北极类似。Carballo-Rubio通过计算发现,这些粒子的极化可以在即将死亡的巨型恒星的引力场中产生惊人的效应,它们会形成相互排斥的场,而不是相互吸引。



根据爱因斯坦的广义相对论,物质和能量会造成时空的弯曲,形成引力场。行星和恒星平均来说拥有正能量,其形成的引力场应该是相互吸引的。然而,当虚粒子极化时,它们占据的真空平均下来可能会有负的能量,Carballo-Rubio 说“这样弯曲的时空会和相排斥的引力场相联系”。由此,黑洞的形成也受到了阻碍。(相类似的现象会导致较轻的恒星残骸形成的是中子星而不是黑洞;它们的引力场还不足以使中子星坍缩成一个奇点。)


两个先前的模型表明,相排斥的“引力”可能会阻止恒星遗骸坍缩形成黑洞。其中一项模型提出,恒星遗骸坍缩后的星体会由引力真空星取代,这是一种被量子真空填满的星体,最外面由一层极薄的物质覆盖。另一项模型则认为,坍缩的结果是黑星,在黑星中,“物质和量子真空在星体的结构中以一种精细的平衡交缠在一起”,Carballo-Rubio解释说。这两种星体都有能够弯曲光线的强引力场,所以它们和黑洞一样,看上去都是黑的。


Carballo-Rubio说,之前对于黑星和引力真空星性质的认识有很多不确定的地方。为了解决这些问题,他在最新的研究中构造了新的数学模型,在描述恒星收缩和扩张的方程中引入了排斥力的效果,他强调这是“一个只能在计算机帮助下处理的问题”。他的最新模型表明,黑星和引力真空星的混合模型是可能存在的,在这个星体中,物质和量子真空存在于整个结构中,但物质更集中在球壳而不是球核中。这项研究发表于2月的Physical Review Letters期刊。


“这项工作十分有趣,同时很有价值,它表明了除了黑洞之外,爱因斯坦场方程还有其他解。”来自洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家Emil Mottola说。


然而,有一些研究者认为Carballo-Rubio研究中的量子效应是可以忽略的。如果这样,其效应会很弱,不足以支持黑星和真空引力星的存在。来自罗马大学的理论物理学家Paolo Pani评价道。


除此之外,Carballo-Rubio的工作主张黑星和引力真空星在数学上是可以存在的,“这并不代表它们会在自然界中存在,”来自巴西ABC联邦大学的Cecilia Chirenti说。比如,Pani提到,现在还不清楚恒星遗骸是否能够自然地演化出那些结构。Mottola补充道:“Caballo-Rubio没有解释为什么他得出的解是稳定的,以及是什么阻止其继续坍缩形成黑洞。”


寻找黑星、引力真空星和黑洞是否存在的方法之一,是分析由科学家们发现并被解释为黑洞合并的引力波信号。当物体运动时,就会产生以光速运动的引力波,沿着传播方向拉伸、压缩时空。


Pani介绍说,当黑洞相互绕着旋转,就会发射引力波,但是它们的事件视界应该吸收掉直接落向它们的波。但是,黑星和引力真空星没有事件视界,它们可以反射引力波,LIGO和VIRGO联合探测器应该可以探测到这些“回声”。如果这样的信号得以被发现,会给广义相对论和量子物理注入新的洞见、推动“量子引力”模型的建立,将两个长期分离的理论结合在一起。


原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/black-hole-pretenders-could-really-be-bizarre-quantum-stars/




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来自:万语千言525  > 天文奥秘
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