为什么科学家用意大利面疙瘩和千层面来解释宇宙中的诡异存在——中子星?

中子星是一种高深莫测的存在。一颗恒生衰老死亡才会形成中子星。燃料枯竭、不再发光的巨型恒星,受自身重力坍缩,挤出电子和质子,再结合生成中子。爆发的冲击波席卷整个星球,把恒星撕成碎片。包裹在碎片周身的夺目光辉,霎时间令整个银河系黯然失色。直至光芒收敛,而恒星高密度的内核兀自闪烁,中子星诞生了。

中子星极为古怪。虽然面积只相当于地球上的一个大城市,质量却极大。一茶匙大小的物质,约等于地球上一座小山的重量。天崩地裂的形成方式,使得中子星犹如太空中的一座灯塔,一边高速旋转,一边闪烁着斑驳的光线。两个中子星相撞产生的冲击力足以震荡整个宇宙,泛起时空涟漪。

中子星.jpg

早在上世纪三十年代,天体物理学家就已预测到中子星这种“诡物”的存在,并已掌握关于它的大量信息。但是,直至今日,关于中子星内部究竟是什么结构,没人能给出确切答案。截至目前,对其内部结构的研究主要通过一些理论模型来完成。只有借助某一特定的架构,天体物理学家才能让中子星高深莫测的真相变得喜闻乐见,易于接受——这个类比就是意大利面。

“我猜,物理学家就是热爱美食而已,”麦吉尔大学天体物理学家、中子星研究者马特·卡普兰(Matt Caplan)表示。

当然实际上不止于此。意大利面的结构最早是在上世纪八十年代初提出的。这种高碳水化合物的类比听上去虽然有些中二,实际却非常靠谱。根据天体物理学家的预测,中子星的内部结构确实很像某些经典意大利面的形状。

根据理论模型的预测,本文首先对中子星复杂的分层进行一番简要介绍。需要注意的是,虽然以中子为名,但中子星的成分不全是中子,还包含一小部分质子和电子。

最外层是薄而坚固的外壳,主要成分是铁。在这层,由质子和中子组成的原子核是圆球形,就像意大利面疙瘩(gnocchi)。越是深入,引力也就越大。质子和中子之间的核力将原子核扭曲成其它形状,比如长条形,就像意大利细面条。再深入一点的原子核被压成薄片,犹如意大利千层面。再往里,中子脱离原子核,形成空心圆柱体,就像意大利细面条里外反过来的结构。最后,空心柱化成团状物,形成与意大利面疙瘩相反的结构。

意大利面.jpg

星核就位于这无数层叠之中,那是意大利面也无法比拟的画面。天体物理学家认为,核心层里的核物质,处于一种地球的实验室无法再现的诡异状态。“虽然关于核心层的成分,我们已经有了某些疯狂的猜测和想法,但目前还没有任何科学依据,”卡普兰表示。

卡普兰称,中子星外壳、内核之间的原子核意大利面或许是目前整个宇宙最强韧的物质。近日,他与印第安纳大学、加州理工学院的研究团队一道对中子星的原子核进行了若干次模拟实验,试图以各种方式对其进行拉伸、扭曲。结果,由于原子核的存在环境密度极高,且外形比原子还小,所以坚固异常。

卡普兰说,解开中子星内部结构之谜有助于研究人员在初步观测的基础上深化认知,进一步理解中子星的夸张表现。去年,天文学家观测到两个现象——引力波和伽马射线暴(能量最强的放射形式)。令人振奋的是,这两个现象全都源于同一位置,都位于地球1300万光年以外,都是两颗中子星合并的产物,在人类观测史上堪称首例。作为一次天文事件,本次观测为我们提供了前所未有的大量数据。

卡普兰表示,用意大利面来示范结构的做法不仅仅限于物理学界,自然界里很多意面外形的实例,比如人体的细胞隔膜。负责制造、输送和折叠蛋白质的扁囊与管状内质网就像一碗意大利千层面和粗纹通心面。

“在某种意义上,分子的自组具有普适性,因此风马牛不相及的领域彼此之间会存在诡异的联系,”卡普兰表示。

这种诡异联系对卡普兰来说是一种安慰。中子星与内质网几乎毫无共性可言,只不过都是原子精密排列的结果。无论中子星还是内质网,自然界都要运用自己的力量,将其打造成某些特定、普遍的形状。其中,有些力量研究人员已经很熟悉了,另外还有些力量或许暂时永远也无法理解。如果说他们注定不能破解所有的宇宙之谜,至少可以像普通人一样,在高碳水化合物里找到一丝安慰。


翻译:李芜

审校:李莉

编辑:漫倩

来源:theatlantic

  • 宇宙
  • 中子星
  • 意大利面
  • 银河

造就评论0

造就  发现创造力