宇宙最硬核的天体,正在刷新人类的认知。这一次,不是天文观测,也不是实验室模拟,而是最硬核的理论计算。

一切都围绕一个问题:中子星的内部,到底是什么?
这东西,科学家研究了几十年,至今仍然是一团迷雾。原因很简单,人类根本造不出这样的环境。一颗中子星,只有10公里大小,比珠穆朗玛峰高一点点。但密度,至少是水的一千万亿倍。换句话说,一茶匙的中子星物质,可能比整座珠峰还重。
实验室连接近都做不到。理论计算呢?偏偏量子色动力学(QCD)这个理论还极难计算。
这一次,MIT的团队,祭出了格点QCD。

这是什么?简单说,就是把宇宙空间拆成一块块小方格,在格点上进行计算。这比传统的微积分方法靠谱多了。但问题来了,就算是格点QCD,也难以直接计算中子星的状态方程。
怎么办?
引入等同于“作弊”的办法:等温等压等势的等色密度近似。
这个方法,已经被用在了核物理的许多领域。它的好处是,能让计算问题变得更简单,坏处是,谁也不能100%保证它在极端环境下依然成立。

但结果出来了。最重要的发现是什么?中子星内部的声速,比之前想象的还高。过去有一个理论认为,极端QCD物质中的最大声速是c/√3。但MIT团队算出来,某些情况下,这个值甚至达到了¾ c。
这意味着什么?意味着中子星的内部比科学家想象的更加“刚性”,意味着它的核心可能支撑更大的质量,也意味着一些之前被认为“不可能”的质量上限,可能需要修正。
换句话说,中子星可能比我们之前认为的更“抗压”,甚至有可能撑起比现在已知最重的中子星还要大的天体。如果这是真的,很多事情都要重写。
但不止如此。还有一个问题:如果中子星内部比想象中更硬,那意味着什么?
很简单,它可能不会那么轻易塌缩成黑洞。以往的认知是,当一颗足够大的中子星跨过某个质量极限,就会直接坍缩,变成黑洞。但如果它比想象中更抗压,那就意味着,这个极限可能比我们原来认为的更高。
甚至——是否可能存在一种比普通中子星更极端、但仍然不是黑洞的天体?理论上,早就有人提出过“类夸克星”或者“奇异星”的概念,也就是比普通中子星更致密,但又没到黑洞地步的天体。
但问题在于,这些概念过去一直缺乏支持。
而现在,MIT的计算给了一种可能性。如果未来的计算和观测证实,中子星确实能比原本预测的更大、更硬、更抗压,那天文学就可能迎来一个新的成员——超极限中子星。
它不是黑洞,也不是普通的中子星,而是某种新的形态,可能由更奇特的物质组成。
这不只是猜测。MIT团队的计算,建立在最强大的理论工具之一——格点QCD的基础上。尽管它仍有不确定性,但它提供了一种比之前更扎实的约束。
甚至,他们计算了中子星内部的状态方程,也就是说,不只是告诉你“中子星可能更硬”,还告诉你,“多硬、多重、多大”。
这在理论物理里,是个巨大的进步。问题来了,MIT的结果,真的靠谱吗?
从计算角度看,格点QCD已经是目前最先进的非微扰QCD工具,它能解决许多传统微扰方法无法处理的问题。但问题在于,它需要大量计算资源。
这次计算,用了“几千GPU小时”。这听起来很厉害,但其实在大规模计算里并不算特别夸张。更早的类似研究,甚至累计消耗了数百万GPU小时。
换句话说,这只是第一步,后面还有得算。但有一点很重要,MIT的团队成功达到了连续极限,也就是说,他们的计算结果不再受限于格点间距的影响。这是历史首次在等色密度条件下做到。
这是个标志性突破。接下来的问题是,这个计算能用来做什么?答案是,约束观测数据。
目前,天文学家已经发现了许多中子星,并且通过LIGO和Virgo等引力波探测器,直接探测到了中子星合并事件。这类事件的引力波信号,其实就蕴含着中子星内部结构的信息。
如果未来的引力波数据,和MIT的计算结果吻合,那就能证明,他们的计算方向是对的。相反,如果数据对不上,那就说明,有更复杂的物理在里面,可能需要新的修正。
最后,回到一个更大的问题。
如果中子星比我们想象的更硬,那黑洞是不是也要重新认识?现在的黑洞理论,建立在广义相对论和标准核物理的基础上。但如果中子星的状态方程不一样,那某些极端情况,比如黑洞的形成临界点、黑洞内部的物理,可能都需要修正。
更进一步,如果确实存在“超极限中子星”,那很可能也意味着,某些极端黑洞的状态,可能比我们以为的更复杂。甚至,黑洞的“事件视界”概念,是否可能因为某种新物理机制而发生变化?