宇宙中最奇特的天体(宇宙中的极端天体)

这种宇宙间最奇特的极端天体，可能比黑洞还要古怪

Magoz

无阻力的炽热中子流、质子超导体、奇异原子构成的坚硬外壳——这些特点使中子星成为宇宙间最奇特的天体之一。它们把一颗恒星的质量，塞进了城市般大小的球体内，产生了一种地球上根本不存在的物质状态。

但是除了这种极端的古怪，中子星身上也有一些我们熟悉的东西。你可能想不到，中子星其实也很擅长制作美味的意面（pasta）。

二者所受的力以及它们的密度差异已经大得不能再大，但结果却惊人地相似。

意面中子星是用质子和中子做的，它们在极端高压下烹制而成。这些古怪原子核的排列方式十分奇特，被印第安纳大学的Matt Caplan等人称为“核子意面（nuclear pasta）”。它们分布在中子星的内壳里，介于外壳和内核之间。“意面”上部的原子核形成了许多气泡，被称为“团子（gnocchi）”。往下，它们联结在一起，变成了圆柱形，名为“细面（spaghetti）”。在更大的压力下，这些细面又被压缩成了“千层面（lasagna）”：由核子物质构成的平整薄膜。随后意面向“反意面（anti-pasta）”过渡：千层面薄膜形成了圆柱形空腔，中子从里面跑出来——Caplan称其为“反细面（anti-spaghetti）”。当压力大到足够的程度，空腔会再次分解为小气泡，从而进入“反团子（anti-gnocchi）”阶段。

没错，Caplan等人在论文中用的，就是这些术语。其中一篇甚至还提到了“核子华夫饼（nuclear waffles）”，就是那种看起来很像带孔千层面的东西。

奇特的意面：中子星内部核子物质“意面阶段”形态模拟，它们看起来就像是千层面（lasagna）、细面（spaghetti）和团子（gnocchi）。物理学评论C辑

奇怪的是，这种核子意面和某种生物分子形成的结构颇为相似。类脂聚合体多存在于脂肪中，它们是由亲水层和疏水层像三明治一样组合而成的，因此在水环境中，这些分子能够自我组装成细面和千层面那样的结构。我们可以在复杂的（真核）细胞中找到这种“内质网（endoplasmic reticulum）”。

虽然有惊人的相似之处，但这两种体系的差异性已经大得不能再大。核子意面的密度比细胞内部高出至少100万亿倍——也就是10的14次方，1后面加14个0。统治中子星内部的力是强大的电磁力和核力；细胞则是被微弱的分子电子作用力和水的显微特性支配着。即便是原材料也是不同的：核子意面的原料是质子和中子，而内质网由分子长链结合而成。

Caplan说，“它们的共同之处是，它们都想要使表面的能量最小化。”就像肥皂泡或国际空间站上的水滴：它们都近似地形成了一个球形。这是它们的表面力量促成的，目的是让表面能量趋向于最小化。千层面的每一个薄层与周边物质间存在着吸引力和排斥力，因此无论是核子意面还是内质网，它们受到的力是不均匀的。但是物理定律仍然要发挥作用，让能量最小化。结果就是在中子星的壳，在细胞液中形成了许多气泡、层层叠叠的薄膜以及空腔。二者所受的力以及它们的密度差异已经大得不能再大，但结果却惊人地相似。

“你必须了解这个壳，否则你什么都了解不到。”

另外一种奇异的相似性可以解释为什么科学家对核子意面这么感兴趣。意面层像三明治一样夹在中子星坚硬的外壳和超流体内核之间。在反团子层以下，几乎所有质子都会和一个电子合并进而产生一个中子，因此那里有一道内壳结束的边界。在那以下，是中子星的核，那里全是中子超流体：一种流动起来没有阻力的东西。（科研人员虽然知道那里有一个核，但仍然对那里有什么样的运作机制争论不休。）核子意面位于自由流动的中子流体和坚硬的外壳之间，与这两个差异巨大的区域同时接触。

这和可塑性很强的地幔非常相似，地幔位于能够流动的熔融外地核和固态地壳之间。地幔是了解地震的关键，中子星的意面层也是解释星震——一种遍布整个宇宙的压力释放现象——的要素。

“在大地震发生之时，地震学家既会对地壳的破裂情况进行了解，也会对地震波在地球内部的传播进行检测，”阿姆斯特兰大学的中子星天文学家Anna Watts这样说。同样，“星震也是一件非常有意思的事情，因为我们可以观察星体在星震发生时的反应，对中子星的内部构造进行窥视。”就像地震能够让科研人员发现地核和它的本性一样，星震也能从内部撼动整个中子星。星壳上发生的事件并不会一直呆在原地不动：晶体的破碎能够通过意面层把振荡传入它的内核，并反映星核的行为方式。“我们观察中子星时，看到的是它的壳，”Caplan说。“你必须了解这个壳，否则你什么都了解不到。”

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实际上，只有当中子星发生星震时，我们才能够从地球上较为清楚地看到它。中子星很小，所以我们通常无法直接看到它，但是有些中子星有强大的磁场，这些中子星就是所谓的磁星。磁星多半是一些最年轻的中子星，它们的磁场能够产生类似太阳风暴的空间天气现象——只是其级别可以高达11。磁场生性活泼，不喜欢被约束，因此它们会“重组”，会一下子挣脱出来并释放出巨大的能量。其结果就是磁星的壳体会破裂，引发强烈的星震和伽玛射线暴。

“伽玛暴最初产生的明亮闪光能够在瞬间把所有看着它的卫星闪瞎，”Watts说——尽管望远镜不需要总是一直盯着磁星来观察这些伽玛暴。幸运也不幸的是，这样的伽玛耀斑是罕见的：自从人类有了观察它们的仪器以来，只遇到过三次。

但这毕竟是我们在地球上的所见：伽玛射线以及来自中子星的其它光线。把观测、理论和计算机模拟等方法魔术般地结合在一起，我们就可以追溯星震——追溯破碎星壳与流体内核间的那层意面。

了解核子意面，不但能够让我们了解星震时破碎的星壳身上究竟发生了什么，还能揭示中子星内核的部分奥秘。中子星的内核是非凡的发电机，能够产生我们所知最强大的磁场。这些磁场必然是由移动着的电荷产生的，但这其中的确切机制我们尚未了解。由于极大的压力，中子星内核中的一切对于地球上的我们来说，都是无法加以实验的。科研人员至今还没有明确的理论框架，把中子星内核物质的压力、密度和温度联系起来，并作出某种有价值的解释——比如中子星的大小。中子星内核中翻腾的物质是了解整个中子星的重要因素，而正是那层意面把中子星的可见特性与未知奥秘相连。

这还不是大自然跨越巨大尺度产生相似性的首例。从超导电缆中不寻常的“孤子”连续波，到席卷海洋、星系的震荡；从微小的水滴，到普遍存在于龙卷风和磁场中的旋涡。这种认为形式能够持久的观点，可以追溯到柏拉图《亚马提斯》中的对话，在那里，他讲述了造物者、神的工匠，曾经为物质世界烙上永恒不变的形式印记。而在中子星的启示下，我们可能会更加期待这种相似性的普遍存在。

Matthew R. Francis 文 / 老孙 译

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