【科學講堂】原子慘遭壓碎 中子星剩什麼？
上一次和大家談到了「中子星」這種星體：當某些星星耗盡內部的燃料而要「死亡」，最終就會因為無法負荷本身的重量而進一步收縮；強大的壓力，甚至大到可以把原子壓碎而變成中子。這種星體就被稱為中子星。它們的壓力、密度有多高？一顆典型的中子星的質量可以比太陽還要多百分之四十，但其直徑卻可能只有大約20公里，也就是從元朗到上水的距離，因此我們可以嘗試想像將比太陽還要重的物料全部塞進比香港更要小的空間：其巨大的密度可想而知。如此令人震撼的密度當然會在中子星的中心造成極大的壓力，因此天體物理學家其實一直都在設想，在中子星的中央物質究竟是以何種形式存在？今天就跟各位分享一下一些相關的研究計劃。
中心壓力太大 或許只剩夸克
大家可能已經聽說過，原子核中的質子及中子其實是由三顆更微小的粒子所組成的；這些更小的粒子叫作「夸克quark」。其中一個猜想，是中子星中心的壓力其實太大了，中子早已被進一步壓碎，以夸克的形式存在着。另一個可能性，就是中子星中心的高能量令其他日常罕見的夸克更容易出現（比如說所謂的「奇夸克strange quark」），因而組成類似中子的其他粒子。（中子、質子之中沒有「奇夸克」；類似中子但含有「奇夸克」的粒子一般統稱為「超子hyperon」。）自然這些並不是唯一存在的可能性。
然而，中子星距離我們十萬八千里，其中心更是難以企及，我們如何可以得知它們的內部是怎樣的？其中一個可能的方法，就是依賴不同物質對壓力、密度的不同反應：試想像兩件物件的重量相同，一件以較容易擠壓的物料造成，另外一件的物料卻較為剛強，兩者的大小自然不會相同。（例如一個以鋼鐵製成的球與另一個橡膠球，倘若兩者質量一樣，大小自然不會相同。）同樣道理，量度中子星的體積與質量，或許能告訴我們其中心的玄機。假若我們能觀測到質量相近但大小迥異的中子星，我們甚至可能推論出內部成分不同的中子星：或許中子星達到某個質量，其中心就會由一種狀態變成另一種。
量度熱點X光 計算星體質量
現已安裝在國際太空站上的「中子星內部成分探索者Neutron star Interior Composition Explorer」（簡稱NICER）就是為此而設的設備。其實除了高密度這個特色以外，中子星還會高速旋轉，並且發射出強烈而複雜的輻射。因此在我們的角度看來，中子星其實真的很像一座燈塔：中央的一枚大燈泡在不斷自旋，將光芒向四方掃射。中子星表面的磁場也是很強很複雜，以致表面一些部分會比其他部位更光亮、發出更強的輻射。NICER之上正好就有56個精密的望遠鏡去準確地觀測從這些「熱點」發射出來的強烈X光，因此能夠清楚捕捉到這些「熱點」如何在中子星的表面上移動，再繼而計算出中子星的大小。觀察這些X光原來也可以容許我們推導出中子星的質量：根據愛因斯坦的廣義相對論，質量可以扭曲空間，以致包括X光在內的光線的移動也受到影響；反過來說，知道了X光受到質量的影響有多少，我們就可以找出中子星的質量。
有關中子星的研究，看來在近年將會愈來愈精彩！不過縱然有NICER的準確儀器，也不一定能夠馬上斷定中子星的中心是什麼。可是這看來就是科學的一般進程：在許多人的持續努力下，我們慢慢地一步步向前進步。■張文彥 香港大學理學院講師
短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。
