星震学挑战奇异星
Anna Watts and Sanjay Reddy
译自马克斯·普朗克天体物理所，2006年10月30日
中子星超致密核区物质的性质是核天体物理的关键问题。中子甚至可能分解为上、下和奇异夸克的混合物，形成所谓的奇异星。但奇异星真的存在吗？马克斯·普朗克天体物理研究所和洛斯阿拉莫斯国立实验室的科学家开展的新研究利用星震学手段对这一可能性提出了置疑。
该技术运用了一些对宇宙中最狂暴现象的观测，也就是来自一些叫做软伽玛射线复现源（Soft Gamma Repeaters）的伽玛射线闪耀。人们认为这些天体是磁陀星，也就是磁场强度超高的中子星。磁场会衰减和扭曲，产生周期性的不稳定。最终，磁力线会劈裂并漂移走，在这一过程中产生伽玛射线爆发。
然而，磁力线冻结在中子星外壳中，在断裂的时候，也会使星壳碎开。长久以来人们猜测，有一种震动，也就是扭力剪切模（torsional shear mode），最有可能被激发出来（见图1）。支持这一观点的观测证据出现在2004年底，当时是在软伽玛射线复现源SGR 1806-20的一次超高能耀发中发现了高频震荡。随后在另一颗星较早的大型耀发观测中挖掘出了类似现象。震荡的频率接近中子星壳层的扭力剪切模预言。
图1：上方是星体的截面图，固体外壳为黄色部分，流体核心用灰色表示。表面的图样显示了星震的结果。下侧图（a）主要显示了外壳的横向运动。这是与扭力剪切模有关的运动类别。图（b）则展示了径向运动，也是难以激发的震动。（图片提供：MPA）
星球的震荡可以告诉我们外壳的成分和深度。不过它们也可以告诉人们深处星核的物质情况。那里压力高到了把中子挤出原子核，并可能瓦解成夸克组分的程度。美国科学家Ed Witten在1980年代的计算表明，夸克随后可能发生反应，并形成由上、下和奇异夸克组成的稳定流体，而其更高的稳定性将会把整个星体转化成奇异夸克物质，形成夸克星。自那以来人们进行了很多工作，试图说明如何区分奇异星和中子星，但问题仍然没有确定的结论。
这两类星体之间主要区别之一是星壳的成分，这会影响震动的频率。另外，奇异星的外壳应该更薄，这对于高频谐波有很大的影响。这使得马克斯·普朗克天体物理所的Anna Watts及其同事、洛斯阿拉莫斯实验室的Sanjay Reddy考虑观测磁陀星是否可以排除奇异星模型的问题。现在，他们完成了对奇异星外壳扭力剪切模频率的第一次计算。虽然很多参数的限制并不完善，但没有一个奇异星模型能符合观测，然而中子星模型可以（见图2）。
图2：两种奇异星外壳模型的扭力剪切模频率：上侧是表面有一薄层普通核物质，下图则是星体全由奇异物质组成的情况。上图中，黑线表示频率最低的震动模式（基频）的数值，蓝色虚线则是观测值。红线表示一次径向谐波的数值，绿色虚线代表观测值。对于奇异壳层（下侧），阴影区域是模型预言的取值范围，它取决于奇异夸克的质量。对于核物质薄壳层，基频总是比测量值高；对于奇异物质壳层，理论值更低。对于谐波，模型预言值比观测高得多。不同的星体质量、半径和温度都给出类似的结果。（图片提供：MPA）
Watts说：“这是非常激动人心的结果。我们的计算给出了奇异星与中子星外壳震动频率的显著区别。如果对数据的星震学解释是正确的（而且近期也没有其他解释），我们可能已发现了排除奇异星的有力手段。”
论文发表
A.L.Watts & S. Reddy: “Magnetar QPOs pose challenges for strange stars”, Physical Review Letters, submitted; astro-ph/0609364
译文登载在http://www.astron.sh.cn/yiwen/2006/yw061113-neutronstar.htm
