4U 1746-37可能是誇克集團星

認識物質的基本組成及其間的基本相互作用是物理學研究的動機之一。我們知道，日常生活中的物質由原子、分子構成，而原子核與核外電子組成了原子。雖然質子和中子是構成原子核的基本單元，但它們卻是由更基本的誇克所組成的。人們現在還了解到，誇克和輕子（例如電子）之間存在四種基本相互作用力：強力、弱力、電磁力和引力。這些基本理論框架的建立是上世紀人類取得的最偉大科學成就。

在這四種基本相互作用中，經典引力可被愛因斯坦廣義相對論精确地描述；弱力和電磁力能用弱電統一理論很好地刻畫；而強力的理論框架則是量子色動力學（QCD）。類似于描述電磁相互作用的量子電動力學（QED），QCD是描述帶色荷粒子（誇克和膠子）之間的基本理論。研究發現，在能标較高時，QCD具有漸近自由屬性，并已被高能實驗很好地檢驗；然而在較低能标下，如何理解QCD豐富的非微擾特性卻是人們面臨的嚴峻挑戰。後者也與美國克萊數學研究所列出“七大世紀獎金問題”之一（Yang-Mills and Mass Gap）密切相關。值得一提的是，類似于原子核，脈沖星類緻密星體也是典型的低能QCD系統，相關研究無疑将有助于人們更好地理解非微擾QCD行為。

脈沖星類緻密星是超新星爆發殘骸，其平均密度比原子核還高。普通恒星因其中心的核聚變釋放能量而發光；當核能耗盡時，大質量恒星核心的内部壓力不能抵抗其自引力，最終導緻星核塌縮，并表現為超新星爆發。這種宇宙中已知最緻密物質的狀态如何，一直以來是天文學和物理學的研究熱點。盡管至今未能完全揭示這類緻密星的本質，但人們還是作了如下四類推測。強子星（例如早年研究的中子星）内部基本成分是強子，不存在誇克物質（即由遊離誇克組成的物質）, 而中心密度足夠高時可能會形成具有誇克物質核心的混合/混雜星。幾乎完全由誇克物質構成的緻密星稱為誇克星。而我國學者提出的誇克集團星是以誇克集團（由6個或更多誇克組成的多誇克态）為基本單元而構成的凝聚态物質，它有别于通常的中子星和誇克星。值得注意的是，強子星和混合/混雜星被引力束縛，而誇克星和誇克集團星的表面是自束縛的。

那麼，如何依據天文觀測區分誇克集團星和傳統的中子星呢？一般來說包括兩種方式。一是尋找大質量的緻密星。例如，前幾年天文學家發現了兩顆約兩倍太陽質量的脈沖星，從而排除了所有極限質量低于兩倍太陽質量的星體模型。二是尋找較小質量緻密星且限制其半徑。因為自束縛星體的質量和半徑都可以小，而引力束縛星體則不然：質量越低半徑則越大。然而，利用天文觀測同時限制緻密星的質量和半徑卻是極其困難的。

最近，我院天文學系李兆升博士與其合作者利用羅西 X 射線時變望遠鏡的觀測資料，詳細分析了X 射線雙星 4U 1746-37 一類特殊的X 射線暴數據，計算了其中緻密星的質量和半徑。結果表明，該雙星中緻密星質量和半徑明顯比強子星和混雜星的理論預期值小，而與誇克集團星的理論預期較一緻。因此，該緻密星是誇克集團星的很好候選體。未來進一步的觀測研究（如30米光學望遠鏡TMT等）若能肯定誇克集團星的存在，将深刻地影響人們關于緻密物質狀态和恒星晚期演化方面的基本認識。這一結果發表在Astrophysical Journal上（798, 56, 2015; http://iopscience.iop.org/0004-637X/798/1/56/）。此工作受到“973”、自然科學基金、博士後科學基金等項目的資助。