宇宙级事件如何让我们知晓物质的基本属性？

博科园：本文为天体物理学类

作为宇宙事件之一的中子星合并，其影响也是范围广大，同时也是黑洞诞生的方式之一！测量两颗正在合并中子星引力波的机会，可以回答有关物质结构的一些基本问题。在合并过程中极高的温度和密度下，科学家们已经推测出一种相变，在这种相变中中子溶解成它们的组成夸克和胶子。两个国际研究小组报告了他们对引力波中这种相变特征的计算结果，其研究发表在《物理评论快报》上。夸克，物质最小的组成部分，在自然界中从不单独出现。它们总是紧紧地束缚在质子和中子中。然而，和太阳一样重的中子星，却只有法兰克福这样的城市那么大，其核心密度如此之大

博科园-科学科普：以至于可能会发生中子物质向夸克物质的转变，物理学家把这个过程称为相变，类似于水的液-气相变。特别是，这种相变在理论上是可能的，当中子星合并形成一个质量非常大的超稳定物体，密度超过原子核，温度是太阳核心温度的10000倍。中子星合并发出的引力波测量可以作为外层空间可能发生相变的一种信使。相变应该在引力波信号中留下特征特征。来自法兰克福、达姆施塔特和俄亥俄(歌德大学/FIAS/GSI/肯特大学)的研究小组，以及来自达姆施塔特和弗罗茨瓦夫(GSI/弗罗茨瓦夫大学)的研究小组使用现代超级计算机计算出这个签名可能是什么样子。

用超级计算机计算中子星合并的模拟，不同的颜色显示了质量密度和温度在合并发生后的一段时间以及物体坍缩成黑洞之前，夸克预计会在温度和密度较高的地方形成。图片：C. Breu, L. Rezzolla

为此，他们使用了多种相变理论模型。如果在实际合并后发生更多的相变，那么在合并后的对象中会逐渐出现少量夸克。歌德大学理论天体物理学教授Luciano Rezzolla：借助爱因斯坦方程，我们第一次能够证明，结构上的这种细微变化将产生引力波信号的偏差，直到新形成的大质量中子星在自身的重量下坍缩，形成黑洞。在Darmstadt的GSI Helmholtzzentrum fur schwerionschung博士的计算机模型中，一个相变已经在合并之后直接发生：一个夸克物质的核心在中心物体的内部形成。鲍斯文说：我们成功地证明，在这种情况下，引力波信号的频率将发生明显的变化。

因此，确定了中子星合并引力波相变的一个可测量标准。并不是所有引力波信号的细节都可以用电流探测器测量到。然而，它们将成为可观测的下一代探测器，以及与我们相对接近的合并事件。互补的方法来回答这个问题夸克物质提供两个实验：在GSI现有的HADES装置上碰撞重离子，在GSI目前正在建设的反质子和离子研究设施(FAIR)上碰撞未来的CBM探测器，将产生压缩核物质。在碰撞中，有可能产生类似中子星合并时的温度和密度。这两种方法都对核物质相变的发生及其基本性质提供了新见解。

博科园-科学科普｜研究/来自: 亥姆霍兹德国研究中心协会

参考期刊文献:《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.061101

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.061102

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