遙遠的恆星螺旋狀碰撞有助於揭開束縛亞原子粒子的神秘力量

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英國巴斯大學的太空科學家找到了一種探測中子星內部結構的新方法,給核物理學家提供了一種研究原子水平物質構成結構的新工具。中子星是被引力壓縮到小城市大小的死星。它們包含了宇宙中最極端的物質,這意味著它們是已知存在的最密集的物體(作為比較,如果把地球壓縮到中子星的密度,它的直徑只有幾百米,而所有的人類都能裝進一茶匙的體積當中)。

這使得中子星成為核物理學家獨特的天然實驗室,他們對結合亞原子粒子的力量的理解僅限於他們在地球原子核上的認知。為了研究這種力量在更極端的條件下是如何表現的,需要提供一種加深他們知識的方法。

因此,走進天體物理學家將目光投向遙遠的星系,以揭開物理學的神秘面紗。

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在《英國皇家天文學會月刊》上描述的一項研究中,巴斯的天體物理學家發現,兩顆中子星在螺旋狀走向劇烈碰撞時,其運動速度越來越快,這就提供了中子星物質構成的線索。根據這些信息,核物理學家將更有能力計算出決定所有物質結構的力量。

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巴斯團隊正是通過共振現象進行發現的。當力以其自然頻率作用於物體時,會產生巨大的、往往是災難性的振動運 – 共振。一個眾所周知的共振例子是,當一個歌劇演員以足夠大的聲音唱歌,以與玻璃的振蕩模式相匹配的頻率就可以擊碎玻璃時。

當一對內吸式中子星達到共振狀態時,它們的固體外殼–被認為比鋼鐵堅固100億倍的材質也會破碎。這導致爆發出明亮的伽馬射線(稱為共振碎裂耀斑),這種射線可以輕易地被科研衛星看到。內吸星也會釋放出引力波,同樣可以被地球上的儀器探測到。研究人員發現,通過測量耀斑和引力波信號,他們可以計算出中子星的 "對稱能"。

對稱能是核物質的特性之一。它控制著構成原子核的亞原子粒子(質子和中子)的比例,以及當受到中子星的極端密度影響時,這一比例會發生怎樣的變化。因此,對稱性能量的讀數將有力地表明中子星的構成,並延伸出所有質子和中子的耦合過程,以及決定所有物質結構的力量。

研究人員強調,利用伽馬射線和引力波的組合研究中子星的共振所獲得的測量結果將是對核物理學家實驗室實驗的補充,而不是替代。

"通過研究中子星,以及這些巨大天體的大災難性最後運動,我們能夠了解一些關於構成極致緻密物質的微小、微小的原子核的情況,"巴斯天體物理學家David Tsang博士說。"規模上的巨大差異使得這一點非常迷人。"

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領導這項研究的天體物理學博士生鄧肯·尼爾補充說:"我喜歡這項工作關注的是核物理學家正在研究的同一事物。他們研究的是微小的粒子,而我們天體物理學家研究的是數百萬光年之外的物體和事件。我們是在用一種完全不同的方式觀察同一件事情。"

德克薩斯農工大學-科米斯分校的天體物理學家、項目合作者威爾-牛頓博士說。"雖然將夸克束縛成中子和質子的力量是已知的 但當大量中子和質子聚集在一起時,它的工作原理還沒有被很好地理解。實驗性的核物理數據有助於提高這種理解的探索,但我們在地球上探測的所有核子都有類似數量的中子和質子以大致相同的密度結合在一起。中子星為我們提供了一個迥然不同的探索核物理的環境:物質主要由中子構成,密度跨度很大,最高約為原子核密度的十倍。"

在本文中,我們展示了如何從數億光年外的距離測量這種物質的某種屬性–對稱能。這可以闡明原子核的基本工作原理。"

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