《天地本源》（杨建立著）

第六章 奇异物质

前面几章我们介绍了在地球、月球、火星等几个岩质星球表面存在的重力场不均衡：星球不圆、海平面不“平”、局部有“质量瘤”、甚至重力方向发生偏移等，其原因应该是埋藏于地下的“超重物质”在作祟。地壳动荡不安：地震频发、大陆漂移、板块运动，其动力应该是埋藏于地下深处的“奇异物质”在捣乱。我们之所以称之为“奇异物质”，是因为它不同于我们在“物态与能”中所述的物质六种状态，它类似而又不同于中子星内部的“中子态”，目前还没有准确命名该种物质的专用名词，只能暂且称之为“奇异物质”。在纷乱复杂的“地下迷局”中，我们找到了“奇异物质”可能的藏身藏身之所。在“新星之源”中，我们找到了“奇异物质”和“超重物质”的来源，它们是上一代超新星爆发产生出来的特殊状态的物质。在下一代天体形成过程中，这些“超重物质”、“奇异物质”和普通的固体物质一起，共同参与并成为“原始星核”中的一部分。“原始星核”在形成新星过程中起到了吸引、汇聚气体、尘埃、碎块的主导作用。“奇异物质”与普通物质的区别，就在于内禀能量的不同。

“奇异物质”可能有几个不同的来源。我们这里重点讨论“热核爆炸”这一来源，分析一下“奇异物质”的特性。

白矮星

热核爆炸型超新星，其前身是白矮星。白矮星（White Dwarf，也称为简并矮星）是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积矮小，故称白矮星。

按照现在流行的理论，中低质量的恒星在渡过生命期的主序星阶段后，结束氢聚变反应，在星体内部进行氦聚变，将氦燃烧成碳和氧的三氦聚变过程，此过程放出大量热量，加热其外层物质，使其膨胀成为一颗红巨星。

一般认为，当红巨星 的外部区域迅速膨胀时，氦核受反作用力而强烈向内收缩，被压缩的物质不断变热，最终内核温度将超过一亿度，于是氦开始迅速聚变成碳和氧。经过几百万年，氦核燃烧殆尽。此时，恒星的结构组成已经不那么简单了：外壳仍然是以氢为主的气体混合物，而在它下面有一个氦层，氦层内部还埋有一个碳氧层。核反应过程变得更加复杂，中心附近的温度继续上升，最终使碳和氧转变为其他重元素。与此同时，红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡：恒星半径时而变大，时而又缩小，稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球，火球内部的核反应也越来越趋于不稳定，忽而强烈，忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右，我们可以说，此时，在红巨星内部，已经诞生了一颗白矮星。当恒星的不稳定状态达到极限后，红巨星会进行爆发，把核心以外的物质都抛离恒星本体，物质向外扩散成为星云，残留下来的内核就是我们能看到的白矮星。所以白矮星通常都由碳和氧组成。但也有可能核心的温度可以达到燃烧碳却仍不足以燃烧氖的温度，这时就能形成核心由碳、氧、氖和镁等元素组成的白矮星，偶尔也有些由氦组成的白矮星。总之，随着白矮星的自身质量的增大，白矮星内部物质圈层也会有所增加，内部的物质构成也会有所变化。

2013年07月，麦克唐纳天文台的2.1米望远镜对GD 518白矮星的观测发现，其表面温度达到12,000度，是太阳的两倍左右，质量为太阳的1.2倍，根据恒星演化模型，其主要成分为氧和氖。通过对GD 518白矮星亮度的变化判断，实际上它正在进行“脉冲”式的膨胀和收缩，这意味着其内部存在不稳定性，科学家预测其内部已经出现了结晶或者凝固现象，形成一定半径的“小结晶球”。

在白矮星里，大部分物质已经被挤压成为“超固态”物质。在白矮星中心，内聚压力更大，这种被更大压力压缩成的“结晶球”是一种不同于我们通常理解的物质，它也许是由“超固态”向“中子态”凝结之前奏。

白矮星的内部不再有物质进行核聚变反应，因此恒星不再有能量产生。这时它也不再由核聚变的热来抵抗重力崩溃，而是由极端高密度的物质产生的电子简并压力来支撑。物理学上，对一颗没有自转的白矮星，电子简并压力能够支撑的最大质量是1.44倍太阳质量，也就是钱德拉塞卡极限。

许多碳氧白矮星的质量都接近这个极限质量，有时经由伴星的质量传递，白矮星质量进一步增加，内部压力进一步增大，诱发白矮星内部进一步发生热核聚变，成为一颗Ia超新星。Ia超新星是“热核爆炸”型超新星中的典范。

Ia型超新星

20世纪60年代，科学家提出恒星的电子简并核可以通过热核燃烧激发热核爆炸，并将整个天体炸碎。经过近50年的研究，21世纪初科学家已普遍接受了如下图景，即Ia型超新星来源于双星系统中碳氧白矮星的热核爆炸。碳氧白矮星从其伴星吸积物质从而增加自身质量，当其质量增加到其最大稳定质量极限时，其中心会激发不稳定的热核燃烧，放出的能量足以将整个碳氧白矮星炸碎，并生成大量的放射性元素镍，镍及其放射性子核放射性衰变的能量注入到抛射物中将其加热，从而使Ia型超新星看起来是非常明亮。形成Ia型超新星爆发，需要如下条件：

1.存在一颗未来爆发成为超新星的白矮星及一颗伴星(双星系统中的另一颗星)。另一颗伴星可以是主序星（像太阳这样内部有着稳定核聚变的恒星），或者是红巨星和白矮星。

2.存在着从伴星向白矮星的气体等物质输送，因此，使得白矮星的质量不断增加。

3.当白矮星的质量增加到太阳的1.44倍时，再次点燃核聚变，这一时期的核聚变反应进行得极其迅速，因而发生大爆发。

《天地本源》（杨建立著）第六章奇异物质

Ia型超新星爆发出的晕

当前流行的Ia型超新星前身星模型主要有两种，一种是碳氧白矮星的吸积模型，另一种是碳氧白矮星的并合模型。

碳氧白矮星的吸积模型。如前文所述是一颗碳氧白矮星从一颗主序星、亚巨星或者是一颗红巨星吸积物质，被吸积的物质在碳氧白矮星表面稳定地燃烧，逐渐增加白矮星质量，当白矮星的质量达到其最大稳定质量极限时，白矮星中心的碳被点燃，释放出的核能瞬间将白矮星炸碎，从而产生Ia型超新星现象。

碳氧白矮星的并合模型。是指两颗碳氧白矮星相互绕转，由于引力波辐射消耗双星系统轨道角动量，使双星相互靠近，最终并合成一颗新的、更大的碳氧白矮星，如果这颗新的碳氧白矮星的总质量超过最大稳定质量极限，也会发生类似于碳氧白矮星吸积模型那样的核聚变。

我们已经知道，恒星演化后期的结局是：中小质量的恒星演化的结局是白矮星；大质量的恒星最终演化的结局是“黑洞”或者“中子星”。“中子星”是个什么鬼？

中子星

据科学家的计算，当老年恒星的质量小于8个太阳时，在经历生命终结时的“红巨星”阶段，会抛弃大部分外层气体和外壳物质。残留下来的核心部分，质量达不到1.44倍太阳质量，不足以凝结成中子星，只能演化成为一颗白矮星。

同白矮星一样，中子星也是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。当老年恒星的质量达到太阳质量约8至2、30倍时，在主序星阶段结束抛弃外层气体和外壳物质后，核心部分残余物质能够达到1.44倍太阳质量，而小于3倍太阳质量，残留的核心部分凝结成为一颗中子星。星体中心残余物质若超过3倍太阳质量，则直接坍缩为黑洞。

中子星与白矮星的区别，不只是生成它们的恒星质量不同。它们的物质存在状态是完全不同的。

简单地说，白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核，原子结构还算完整，只不过是原子核紧密积压在一起。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的电子简并压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，原来的原子状态物质变得仅由中子组成，中子简并压支撑住了中子星，阻止它进一步压缩。可以这样说，中子星类似一个巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。在地球上，如果你拿着一勺中子星物质，那么这一勺子物质的重量将达到50亿吨。

如果，当一颗白矮星吸聚伴星物质，引发Ia型超新星爆发,其核心残余物质却达不到1.44倍太阳质量，没有能够凝结形成中子星，那么，它究竟会被炸成什么样子呢？

不成功的中子星

在白矮星里，大部分物质已经被挤压成为“超固态”物质。在白矮星中心，内聚压力更大，这种被更大压力压缩成的“结晶球”，一种不同于我们通常理解的物质，它也许是一种介于“超固态”物质和“中子态”物质之间的特殊物质状态。

内部含有这种“特殊物质”的白矮星，都是质量较大的白矮星，质量已经接近凝聚中子星的临界点。

如果此时，星体进一步吸聚物质，增加质量，星体中心部位的物质会被挤压成为“中子态”，同时释放出巨大热量。剧烈放热导致较外层被炸飞，带走表层大部分物质。由于星体内的物质经过长期燃烧，已经丧失了大量能量，不可能完全汽化，更不可能还原成为氢、氦等气体。爆炸将星体表面物质抛射到宇宙空间后，星体中心也已不能保持足够的内聚力，用以维持物质的中子状态。由于外界压力的变化，物质的性质也会发生相应变化，形成特殊状态物质。爆炸残留物质起码有两种形态：

第一种形态，是解除压力后的“超固态”物质。出自于白矮星表层，我们可以称之为“超重物质”。

第二种形态，是解除压力后的“中子态”物质。是出自于白矮星中心，我们称之为“奇异物质”。

还有就是，“超重物质”与“奇异物质”混杂凝结在一起的状态，我们也可以把它归类为“奇异物质”。

“超重物质”具有如下特性：

1、致密。星体发生爆炸，大量外层物质被爆炸分列开来，“超固态”物质所受到的内聚压力解除，体积会有一定程度的反弹。但是，由于这些物质内能已经耗竭殆尽，不可能膨胀到原子状态普通固体物质那样，比重比起“超固态”物质要小些，但仍然远远大于普通物质。

2、冷。由于主星序时期大量内能被消耗，星体发生热核爆炸时，又散发出大量热量。在外界压力解除后，物质体积发生膨胀，残余物质会变“冷”。

3、需要长时间吸取大量热量后才能够还原成原子态物质。这一道理我们在“物态与能”一章进行过解释。

“奇异物质”会具有类似的特性：

1、致密。星体发生爆炸，大量物质被抛射到宇宙空间，原本位于星体中心的物质，由于爆炸产生的反冲作用，部分形成“中子态”。爆炸使星体解体后，“中子态”物质所受的外层物质内聚压力骤然解除，体积会有一定程度的反弹，但完全没有足够能量用以恢复成为原子态，“奇异物质”仍然十分致密，比起“中子态”物质比重会小一些，但仍然会远大于普通物质。

2、冷。由于主星序时期大量内能消耗的结果，导致物质内禀热量严重耗竭、亏空。发生“热核爆炸”又散发了大量热量。爆炸致使得星体解体，在外界压力解除后，物质体积会发生相应膨胀，残余物质会变“冷”。

3、“奇异物质”就是破碎成一块一块的“中子态”物质。爆炸发生后，外部压力解除，原本位于星体中心的“中子态”物质，因为残存能量的作用，一部分中子会还原成为质子。原本“中子态”的物质碎块将成为一个“超大的原子核”，极不稳定，它们以某种形式吸收能量后，进一步发生碎裂，成为更多、更小的不稳定“超大原子核”，成为放射性物质团块。

放射性物质

某些物质的原子核能够发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到，只能用专门的仪器才能探测到的射线，物质的这种性质叫作放射性。放射性物质是那些能自然的向外辐射能量，发出射线的物质。地球上一般都是原子质量很高的金属，像钚、铀、镭的同位素。放射性物质放出的射线有三种，它们分别是α射线、β射线和γ射线。

在核电站的反应堆中，采用的核燃料主要是含3%左右的铀－235，在发生裂变时，铀－235吸收一个中子，形成复合核，复合核不稳定，经过很短的时间（约10^－14秒），然后分裂成二个主要碎片，同时放出数个中子和一定的能量：

U－235+中子→X1+X2+ 2.43 中子+能量。

X1 和 X2 代表裂变碎片。铀－235裂变时会形成60余种不同的碎片，这些碎片通过β衰变，产生约250种不同核素，称为裂变产物。在这些裂变产物中，质量数集中在95和140附近，如锶－90、碘－131、铯－137等。

裂变碎片是放射性核素的，会发生一系列的衰变，具有较强的放射性，主要为β射线和γ射线，有的核素半衰期较短，如碘－131半衰期为8天；有的核素半衰期较长，如铯－137半衰期是30多年。

反应堆中的能量主要由铀－235裂变所释放的能量，包括裂变时瞬时释放的能量（占90%以上）和裂变产物在其随后的衰变是缓慢释放的能量（小于10%）二部分，瞬时释放的能量包括裂变碎片的动能、裂变中子动能、瞬发γ射线能量等，缓慢释放的能量包括裂变产物γ射线衰变能量和β射线衰变能量等。

物质的放射性

原子核自发地放射各种射线的现象称为放射性。在磁场中研究放射性射线的性质时，发现放射性射线主要是由α、β、γ三种射线组成。

能自发地放射各种射线的同位素称为放射性同位素。放射性同位素射出各种射线而发生核转变的过程称为放射性衰变。衰变前的放射性同位素称为母体，衰变过程中产生的新同位素称为放射成因同位素，或叫做子体。

在放射性衰变过程中，母体的原子数目随时间不断减少，子体的原子数则不断增加。若放射性母体经过一次衰变就转变成一种稳定的子体，称为单衰变。有时，放射性母体可经历若干次衰变，每次衰变所形成的中间子体都是不稳定的，本身又会发生衰变，一直持续到产生稳定的最终子体为止，这种衰变叫做连续衰变。由这样的一个放射性母体、若干个放射性中间子体和一个最终稳定子体所形成的衰变链称作衰变系列。大多数放射性同位素是按一种母体只转变成另一种子体的方式发生衰变。少数放射性同位素可以有两种或多种衰变方式，形成不同的子体，即一种母体能同时产生两种子体，这样的衰变称为分支衰变。自然界中这几种衰变类型都存在。

在放射性衰变过程中，放射性母体同位素的原子数衰减到原有数目的一半所需要的时间称为半衰期，记作T1/2。放射性母体同位素在衰变前所存在的平均时间称为平均寿命，记作τ。半衰期是放射性同位素衰变的一个主要特征常数，它不随外界条件、元素状态或质量变化而变，放射性同位素的半衰期的长短差别很大，短的仅千万分之一秒，长的可达数百亿年，半衰期愈短的同位素，放射性愈强。

以上描述了Ia型超新星爆发，生成“奇异物质”的细节，“奇异物质”的来源也许不止一个。据科技日报2017年9月22日报道，发表在《物理评论快报》上的一项新理论模型表明，中子星碰撞、微型黑洞从其内部毁灭中子星，可能也会制造出重元素，产生出“奇异物质”。

中子星碰撞造就重元素

　 虽然大多数科学家认为，从铁到铀，自然界稳定存在的重元素中有约半数是大质量恒星在生命终结阶段发生超新星爆发时生成的。但也有科学家给出了不同的可能性，他们指出，这些重元素的起源可能是一种更加狂暴而罕见的机制--密度超高的中子星之间发生的相撞。

　 两颗中子星发生碰撞，一部分物质会被抛入太空，它们本身就是超大的原子核，成为我们称之为“奇异物质”的特殊物质。而这些物质中富含中子，很多中子会被射向“种子核子”，这些“种子核子”吸收射来的中子后，便会被催生形成原子量越来越大的元素。

　 尽管绝大部分中子星都孑然一身，但也会有两颗中子星组成双星系统，它们可以在一起相互绕转数十亿年，但是在这一过程中会逐渐相互靠近，直到有一天，这两颗中子星终于陷入毁灭性的相撞。

　 美国哈佛史密松天体物理中心的科学家艾多·贝格说，这时候两颗中子星的绝大部分物质会发生进一步坍缩，形成黑洞，而另外一部分物质会被抛入太空。这些物质中富含中子，这样便会形成原子量越来越大的元素。美国加州大学伯克利分校天体物理学家丹尼尔·卡森解释说，你需要很多中子并将它们射向那些“种子核子”，才能合成那么重的元素，比如金、铅，或者铂。这就像是汽车挡泥板上不断累积的泥浆一样。而其中也不乏具有放射性的不稳定原子核。

　 科学家得出这一结论，缘于一次伽马射线暴。这次伽马射线暴距离地球约39亿光年，虽然持续时间不到0.2秒，但其红外线余晖却持续数天时间。科学家将观测的结果与理论模型进行对比之后，得出结论认为这是大量重金属元素形成之后产生的放射性辉光，而这些重元素是在一次中子星的撞击事件中产生的。

　 卡森对这次碰撞做了粗略的估算，认为这次事件中约产生了相当于20倍地球质量的黄金。这一数量的黄金足以装满100万亿个油桶。而且这次撞击事件中所产生的铂金数量甚至比产生的黄金还多7倍。

　 此外，科学家还在一个矮星系--网罟座二号9个最亮的恒星中发现了7个包含许多重元素的恒星，这比任何矮星系上发现的都要多。科学家表示，这些恒星上的重元素比其他相似星系上观察到的多了近100倍。而在一个矮星系上发现这么多重元素证明了网罟座一定发生过比超新星爆发还要罕见的事件，比如中子星撞击，因为大多数超新星爆发产生的重元素也远远达不到网罟座上那些重元素的惊人数量。

黑洞毁灭中子星成为重元素来源

　 在一项新的研究中，研究人员认为原生黑洞会与中子星发生碰撞，中子星几乎完全是由中子构成，并且非常密集，原生黑洞将沉入中子星中心区域，从其内部吞噬它们。美国加州大学洛杉矶分校理论物理学家亚历山大·库先科认为，当这种情况发生时，黑洞会从内部不断消耗掉中子星，这个过程可能会持续1万年左右。之后，中子星随着自身的收缩，自转会变得越来越快，最终导致一些小的部分被甩离本体。而这些富含中子的分离部分，很可能成为“奇异物质”，也就是超重元素的来源。

在宇宙大爆炸时，其异乎寻常的力量会把一些物质挤压得非常紧密，形成了“原生黑洞”。这种黑洞并不是由恒星坍缩而形成的。理论上，原生黑洞比普通黑洞更小，甚至小到肉眼无法看到。

　 然而同时，科学家也认为，中子星捕获黑洞的可能性非常低，这种低概率与只有少量星系富含重元素的观察结果一致。形成于宇宙早期的黑洞与中子星相撞产生重元素的理论也解释了银河系中心区域中子星数量稀少的问题。

奇异轴子星行为如同单个粒子

2018年10月12日一项发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）的研究，通过新的计算机模拟显示，宇宙中形成一些类似恒星的奇异天体，它们的行为就像一个个巨大的原子。

　 与一般的恒星不同，这些所谓的“轴子星”（如果它们存在的话）并不会发光。它们由一种假想的粒子--轴子（axion）--组成，而轴子被认为是暗物质的组成部分之一。不同理论对轴子质量的预测结果相差很大，但总体而言，物理学家都认为轴子非常轻，其质量只有电子的五千亿分之一到五千万分之一。

　 轴子是一种假想的亚原子粒子，最初是20世纪70年代为了解决CP守恒问题而提出来的。目前，意大利国立核子物理研究所的PVLAS探测器正在努力寻找它们。如果轴子确实存在，那它们将很难发生相互作用，但如果引力将它们结合在一起，就可能形成一个具有奇特性质的密集球体，与其他类型的恒星都不相同。这是因为轴子是玻色子--一类包括光子在内的粒子。

　 在量子物理学中，粒子具有离散的能量值，即粒子以特定的能量水平存在。对于玻色子而言，多个粒子可以同时处于相同的能量水平，而不同于另一类被称为“费米子”的粒子（包括电子和质子）。在轴子星（或者更确切地说是玻色子星）上，每个轴子将处于最低的能量水平上，意味着整个星体将具有相同的量子行为，如同一个巨大的粒子。

　 如此奇特的物体又被称为“玻色-爱因斯坦凝聚”（Bose-Einstein condensate）。物理学家曾在实验室中通过将原子冷却至接近绝对零度的方法获得了这类物质。在实验室中，这些凝聚还能形成超流体--完全没有黏性和摩擦力的物质状态。

　 新研究的共同作者、俄罗斯科学院核研究所的物理学家德米特里·莱夫科夫（Dmitry Levkov）称，此前一些物理学家表示，质量极小的轴子之间的引力太弱，无法聚集形成恒星。

　 然而，这项研究通过新的计算机模拟显示，轴子星的形成也可以很快，这取决于轴子的质量。对于相对较重的轴子（称为QCD轴子），其形成轴子星的时间约为10亿年。一些物理学家认为QCD轴子是暗物质粒子的理想候选者之一，因为它能解释强相互作用。

　 莱夫科夫称，对于质量极小的轴子--被昵称为“模糊暗物质”（fuzzy dark matter），比QCD轴子轻约100千万亿倍--就只需要1000万年时间就能形成轴子星。

在新的模拟中，研究人员从一团轴子气体开始，发现它们自己形成了一个星体。“当我们看到这个玻色-爱因斯坦星的时候，我们非常兴奋。”随着时间推移，这个星体将继续累积轴子，不断成长。

　 轴子星本身还可能产生可检测的信号。轴子可以衰变为光子，而来自轴子星的一系列粒子反应可能会产生可检测的辐射。而且，如果一颗轴子星撞上一颗中子星，就可能产生强大的射频辐射，或许还能为天文学家一直困惑的快速射电暴提供解释。过去几年中，天文学家已经发现了数十个来源未知的快速射电暴信号，并催生了各种各样的解释。

“轴子星”是否真实存在，有待于进一步证实。

但中子星相互碰撞，抛射出来部分“中子态”物质，还有“热核爆炸”型超新星爆发，催生出来中子态物质团块的可能性是非常大的。这些物质团快就是一个个巨大的原子核，在宇宙空间环境下极不稳定，具有强烈的放射性。

放射性核素的工作原理，我们仍然不是很清楚。我们知道的是，放射性核素在地球环境下不稳定，能够自发地发生放射性衰变，并严格按照每个半衰期衰变一半原子数量的速度进行着，严格遵循一定概率。

在核电站的反应堆中，采用的核燃料主要是含3%左右的铀－235，在发生裂变时，铀－235吸收一个中子，形成复合核，复合核不稳定，经过很短的时间后分裂成二个主要碎片，同时放出数个中子和一定的能量。

在自然环境中，自由中子和铀－235的原子核碰撞并被吸收，应该是有固定概率的。这和原子核衰变按照一定概率进行这一事实若合符节。在这一反应中，吸收一个中子，是发生衰变的必要条件。那么，其他的核反应是否也吸收了什么？这个问题很值得玩味。极有可能核素是以某种我们不甚清楚的方式吸收能量或能量团（粒子），使得核素内部能量得到补充和提高，达到或超过阈值，才能发生放射性衰变。如果是这样，其所吸收的东西，极可能是这一反应的逆反应中所失去的东西，比如光子、中微子、中子等。