錢卓首度證明 中子星核心為超流體與超導體

http://www.nownews.com/2011/03/07/91-2694172.htm

有兩組天文研究團隊，分別分析錢卓X射線觀測衛星(Chandra X-ray Observatory)的資料後，發現有顆中子星的溫度遞減速率極快，因而首度直接證明這顆恆星內部的物質是所謂的超流體(superfluid)和超導體(superconductor)這些奇特的物質。這項發現對瞭解在已知最稠密的物質狀態下的核子反應相當重要。

這顆中子星位在超新星殘骸仙后A(Cassiopeia A，Cas A)中，這個超新星大約是在330年前發生爆炸的結果，爆炸後，前身恆星的核心部分變成一顆非常緻密的中子星，以天文尺度而言，算是非常年輕的中子星。從錢卓連續觀測的結果，天文學家估算在過去10年間，這個中子星已經降溫了4%左右。其中一個團隊主持人是墨西哥國立自治大學(National Autonomous University)Dany Page表示，雖然4%聽來不多，但對天文學家來說，這已經是所觀測到最劇烈的降溫趨勢。這表示這顆中子星的內部必定有不尋常之處。

中子星是目前直接觀測的天體中，所含物質密度最高、最緻密物質的天體。在中子星上一茶匙的物質，相當於60億噸重。中子星核心處的壓力之高，迫使絕大部分的電子與質子結合而形成中子。因此這種超新星殘骸幾乎都是由中子所組成，另外還有少數質子、電子和其他粒子。

理論物理學家曾詳細模擬物質在極高密度狀態下的行為模式，甚至曾思考過超流體可能性。超流體是一種幾乎沒有摩擦力的物質狀態，地球實驗室中製造出的超流體都具有超凡特性，例如可向上爬而逃出人造容器的能力。由帶電粒子組成的超流體也是超導體，讓電流流動幾乎沒有任何阻力可言。地球上已經利用超導體的特性製造出許多科技產品。另一團對主持人俄羅斯聖彼得堡艾爾菲研究所(Ioffe Institute in St Petersburg)Peter Shternin表示，錢卓所觀測到的仙后A中子星快速冷卻的現象，首度直接證明中子星的核心是由超流體和超導體物質組成。

這兩個團隊都認為仙后A中子快速冷卻的現象，顯示在過去100年間，中子星的核心逐漸轉變成中子超流體。理論預測中子星核心過渡到超流體狀態時，會大量形成幾乎無質量也幾乎不與其他物質交互作用的微中子(neutrino)，這些微中子向外逃出而帶走能量，所以中子星會有明顯的降溫現象。這些團隊認為：快速冷卻的現象可能還會持續數十年左右，之後冷卻的速度就會減慢下來。

地球實驗室中物質開始變成超流體都是在接近絕對0度的極端低溫下，但中子星內部的超流體卻可在溫度高達10億度左右的高溫狀態下發生，因為粒子間的交互作用是經由強核子力達成，也就是夸克(quarks)聯合在一起而形成質子或中子的作用力，而質子和中子聯合起來才組成粒子的原子核。然而，直到現在，科學家仍然無法確定地估算超流體形成的溫度。此番藉由錢卓的觀測結果，這些天文學家至少能確定形成溫度介在5億度到10億度以下。

此外，由這個快速降溫度現象，中子星核心遺留的質子數量已相當少，使得中子星核心變成超流體的過渡期提早發生；又由於質子帶有正電，所以仙后A中子星的核心亦為超導體狀態。地球實驗室中已知不同組成成分的超導體，在溫度高過攝氏零下100～200度時，就會喪失超導特性；然而由於中子星核心極高的密度，因此可讓物質在接近攝氏10億度的高溫環境下仍具有超導電性(superconductivity)。

經由中子星超流體電腦模擬結果與強核子力物理學，這些天文學家或許可在仙后A中子星測試極緻密物質的強交互作用詳細特徵，如此一來或許就可藉機瞭解中子星的行為特性，例如中子星的脈衝性質和進動、磁場強度極高的中子星—磁星(magnetar)的爆發和演化等現象。