中子星极可能有一个夸克核心与钻石大气层

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一颗典型中子星的质量通常约为2倍太阳质量，但直径仅有约12公里。想象一下把两个太阳压缩进一个小城市的范围内，这个天体会有多么惊人的密度。

如同地球具有地壳、地幔和地核一样，中子星也有复杂的“地质结构”，它有一个铁壳、中子地幔以及夸克核心构成。

我们无法直接观察中子星的内部，虽然可以用托尔曼·奥本海默·沃尔科夫方程理解恒星的内核状态，但中子星突破了这个方程的极限。因为中子并非基本粒子，在标准模型理论中，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。最近的一项研究将夸克物理学与观察到的中子星特性进行了比较，结合合并中子星的引力波观测数据，研究者认为在中子星核心中，被紧密压迫的中子可能分解成夸克流体，形成一个由夸克构成的核心。

这个结果还需要进一步的研究来证实。

图片来源：NASA/CXC/M.Weiss

中子星甚至也有“大气层”。

一颗年轻的中子星的表面温度高达上百万K，这意味着它会在X射线波段产生强烈的电磁辐射。如果一个中子星没有大气，这种辐射的波长分布应遵循黑体曲线，或者说在没有大气的情况下，它的光谱应该仅由中子星的表面温度决定。但如果它有大气层，就会吸收一些辐射并改变波长，使中子星辐射与黑体光谱产生明显的不同，区别由大气的成分与厚度决定。

科学家分析了超新星遗迹仙后座A中心中子星的X射线光谱数据，这是一颗距离我们约11000光年的年轻中子星。他们发现其谱线与黑体光谱不完全匹配，通过与各种大气模型进行比较，发现最能匹配观测数据的是碳大气层。

这个碳大气与我们理解的“大气层”有很大区别，它只有约4厘米厚，虽然呈“气态”，但其密度与钻石大致相同（3.5克/立方厘米）。并且随着时间流逝，这个大气层会产生变化。因为引力是如此强大，以至于碳最终会从大气中沉降，留下诸如氢、氦之类较轻的元素。但最终即使较轻的元素也会沉降到中子星表面，这个过程有待于对其他更多中子星的观测数据进行对比。

参考：

Annala, Eemeli, et al. “Evidence for quark-matter cores in massive neutron stars.” Nature Physics (2020): 1-4.

Ho, Wynn CG, and Craig O. Heinke. “A neutron star with a carbon atmosphere in the Cassiopeia A supernova remnant.” Nature 462.7269 (2009): 71-73.

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