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當一顆大質量恒星死亡，它的歸宿可能是中子星，或是能夠吞噬一切的黑洞——這是現代物理學界對恒星結局的主流認知。然而，一項新研究正試圖挑戰這一觀點：一些天體物理學家認為，在中子星和黑洞之間，可能還存在被稱作黑星（black star）或引力真空星（gravastar）的星體。 撰文 | Charles Q. Choi 翻譯 | 張克文 審校 | 吳非 當一顆巨型恒星死亡時，它不會消失殆盡，而是坍縮、留下一個緊致的恒星遺骸。遺骸可能只有一座城市大小，由高密度的中子組成，因而被稱為中子星。在極端情形下，絕大多數理論物理學家都相信，死亡恒星會形成黑洞，它的中心是密度無窮大的奇點，引力強到連宇宙中最快的光都無法逃脫其束縛。而現在，一項新的研究正在試圖挑戰對恒星歸宿的認識：在中子星和黑洞之間，可能還存在被稱作黑星（black star）或引力真空星（gravastar）的星體。如果這一設想成立，這意味著除了不會吞噬光線這一關鍵點以外，這些奇異的恒星尸體和黑洞幾乎一模一樣。 我們有眾多理由來尋找這樣的星體，因為黑洞的存在引起很多理論上的問題。比如，黑洞的奇點應該是藏在名為事件視界的不可見邊界內。把東西扔進黑洞，一旦進入事件視界，它就會永遠消失。但這與另一項被長期珍視的物理定律相沖突，它認為信息是無法被摧毀的，包括落入黑洞的物體所攜帶的信息。 在過去的二十年間，不含有奇點和事件視界的黑星及引力真空星模型被提出并有所發展，這在一定程度上回避了上述矛盾。但問題在于，這樣的星體是否真的會形成、如果形成它們是否會保持穩定。在最新研究中，來自意大利國際高等研究院的理論物理學家Raúl Carballo-Rubio為黑星、引力真空星的存在提出了一種新穎的機制。 Carballo-Rubio研究了一種名為量子真空極化（quantum vacuum polarization）的奇特現象。亞原子粒子是如何運作的？對于這一問題，目前最好的理論來自量子物理，該理論表明現實是模糊的，這會限制人們對物質基本單元性質的了解。比如，我們永遠無法在某一時刻同時知道一個粒子的位置和動量。這一不確定性的一個奇特結果就是“真空不空”，實際上真空是由不斷出現、湮滅的，名叫“虛粒子”的物質填充的。 巨型恒星的坍縮會釋放巨大的能量，之前的研究發現這些虛粒子會被極化，或者是由它們自身的性質形成特定的分布，與磁鐵的南極和北極類似。Carballo-Rubio通過計算發現，這些粒子的極化可以在即將死亡的巨型恒星的引力場中產生驚人的效應，它們會形成相互排斥的場，而不是相互吸引。 根據愛因斯坦的廣義相對論，物質和能量會造成時空的彎曲，形成引力場。行星和恒星平均來說擁有正能量，其形成的引力場應該是相互吸引的。然而，當虛粒子極化時，它們占據的真空平均下來可能會有負的能量，Carballo-Rubio 說“這樣彎曲的時空會和相排斥的引力場相聯系”。由此，黑洞的形成也受到了阻礙。（相類似的現象會導致較輕的恒星殘骸形成的是中子星而不是黑洞；它們的引力場還不足以使中子星坍縮成一個奇點。） 兩個先前的模型表明，相排斥的“引力”可能會阻止恒星遺骸坍縮形成黑洞。其中一項模型提出，恒星遺骸坍縮后的星體會由引力真空星取代，這是一種被量子真空填滿的星體，最外面由一層極薄的物質覆蓋。另一項模型則認為，坍縮的結果是黑星，在黑星中，“物質和量子真空在星體的結構中以一種精細的平衡交纏在一起”，Carballo-Rubio解釋說。這兩種星體都有能夠彎曲光線的強引力場，所以它們和黑洞一樣，看上去都是黑的。 Carballo-Rubio說，之前對于黑星和引力真空星性質的認識有很多不確定的地方。為了解決這些問題，他在最新的研究中構造了新的數學模型，在描述恒星收縮和擴張的方程中引入了排斥力的效果，他強調這是“一個只能在計算機幫助下處理的問題”。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，在這個星體中，物質和量子真空存在于整個結構中，但物質更集中在球殼而不是球核中。這項研究發表于2月的Physical Review Letters期刊。 “這項工作十分有趣，同時很有價值，它表明了除了黑洞之外，愛因斯坦場方程還有其他解。”來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家Emil Mottola說。 然而，有一些研究者認為Carballo-Rubio研究中的量子效應是可以忽略的。如果這樣，其效應會很弱，不足以支持黑星和真空引力星的存在。來自羅馬大學的理論物理學家Paolo Pani評價道。 除此之外，Carballo-Rubio的工作主張黑星和引力真空星在數學上是可以存在的，“這并不代表它們會在自然界中存在，”來自巴西ABC聯邦大學的Cecilia Chirenti說。比如，Pani提到，現在還不清楚恒星遺骸是否能夠自然地演化出那些結構。Mottola補充道：“Caballo-Rubio沒有解釋為什么他得出的解是穩定的，以及是什么阻止其繼續坍縮形成黑洞。” 尋找黑星、引力真空星和黑洞是否存在的方法之一，是分析由科學家們發現并被解釋為黑洞合并的引力波信號。當物體運動時，就會產生以光速運動的引力波，沿著傳播方向拉伸、壓縮時空。 Pani介紹說，當黑洞相互繞著旋轉，就會發射引力波，但是它們的事件視界應該吸收掉直接落向它們的波。但是，黑星和引力真空星沒有事件視界，它們可以反射引力波，LIGO和VIRGO聯合探測器應該可以探測到這些“回聲”。如果這樣的信號得以被發現，會給廣義相對論和量子物理注入新的洞見、推動“量子引力”模型的建立，將兩個長期分離的理論結合在一起。 原文鏈接： https://www./article/black-hole-pretenders-could-really-be-bizarre-quantum-stars/ 《環球科學》4月刊即將上市 現已開啟預售 |
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