下有地震，上有“星震”？兩者居然還“不謀而合”

作者：王維揚（中國科學(xué)院大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院）

眾所周知，固體地球自身具有剛性，當(dāng)重力加載達(dá)到某個臨界值時發(fā)生破裂將導(dǎo)致地震災(zāi)害。類似地，某些與太陽質(zhì)量相當(dāng)?shù)墓腆w星球內(nèi)部應(yīng)力積累超過其承受極限時，也會自然地發(fā)生星震。有趣的是：目前的研究認(rèn)為，眾多極端天體物理事件（包括脈沖星周期躍變、快速射電暴、伽馬射線暴、中子星暴發(fā)或耀發(fā)等）的誘因很可能就跟這類星震事件緊密相關(guān)。近期，《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》期刊刊文評述了相關(guān)研究進(jìn)展[1]。

日常物質(zhì)通過電磁相互作用凝聚其組成單元（即原子/分子），以液態(tài)、固態(tài)形式而存在；當(dāng)單元之間相互作用可忽略時表現(xiàn)為氣態(tài)。一般認(rèn)為原子核即為以核子（質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱）為單元但被強力而凝聚的液體。然而，若考慮大質(zhì)量恒星形成及演化，自引力作用主導(dǎo)下將形成“原子核連成一片”的致密天體。這類天體具有部分或整體的固體結(jié)構(gòu)，往往觸發(fā)星震過程。無疑，成熟的固體地球物理理論和方法在研究這類星震過程中將找到用武之地、成為“他山之石”。

強引力場下致密物質(zhì)的狀態(tài)是當(dāng)今物理學(xué)和天文學(xué)關(guān)注的焦點之一，涉及基本強相互作用的低能行為。當(dāng)大質(zhì)量主序恒星耗盡自身核能源后，其核心區(qū)域?qū)⒄Q生由這類致密物質(zhì)構(gòu)成的天體。若致密天體的質(zhì)量不夠大、自引力不足以強到塌縮成黑洞, 則星核所有原子核可能會擠成一團(tuán)而表現(xiàn)為朗道所言的“巨核”，即觀測到的脈沖星。

限于低能強相互作用的認(rèn)識, 雖然尚未定論這類極致密物質(zhì)的本質(zhì), 但是人們有明確的觀測證據(jù)表明豐富的極端天體物理事件跟巨核緊密相關(guān)。跟地球類似，脈沖星往往具有部分甚至整體的固態(tài)結(jié)構(gòu)；當(dāng)其內(nèi)部應(yīng)力積累達(dá)到某個臨界值時將會自然地發(fā)生星震。而不同的是，脈沖星具有比地球更高的引力、密度和磁場，故星震活動將誘發(fā)劇烈得多的天體活動。在此呼吁促進(jìn)地震學(xué)和天體物理學(xué)的交叉融合，并期待借助于更高精度多信使天文觀測最終揭曉巨核的本質(zhì), 從而加深關(guān)于低能強力的理解。

圖1. 輕味夸克 (u、d 和 s) 三角形[1]。三角形中灰度表征重子成分的荷質(zhì)比 R。原子核處于 A 點附近，R ? 1/2；中子星 (n 點) 和奇異星 (s 點) 內(nèi)部的重子組分都近乎電中性。位于s點處、類似于A 點原子核內(nèi)的基本單元被稱為奇子(strangeon)。

1931年初，朗道跟玻爾、Rosenfeld有一次會談，提及一個有趣的話題[2]：引力塌縮導(dǎo)致原子核擠在一起最終形成“巨核”(giant nucleus), 且那里的電子會緊密地與質(zhì)子結(jié)合在一起以免獲得過高的動能。這種巨核后來以“中子星”一詞流行開來, 并且被認(rèn)為是“脈沖星”(1967 年發(fā)現(xiàn)) 的本質(zhì)。然而對巨核而言, 在第一代夸克范疇內(nèi), 電中性和夸克的味對稱卻不能兩全其美。隨著 1960年代以來粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展與成功, 奇異數(shù)(strangeness) 逐漸受到重視, 該自由度的引入能夠使得巨核兩全其美：同時維持夸克的味對稱和電中性, 但需將價夸克味道的數(shù)目從“2”推廣至“3”。我們將巨核內(nèi)部、類似原子核中核子但奇異數(shù)非零的單元稱為“奇子”(strangeon，圖1)。誠然，脈沖星到底是傳統(tǒng)的中子星還是奇子星，至今未明。

當(dāng)代地震學(xué)發(fā)展起源于20世紀(jì)初。一個非常著名的震例是 1906 年舊金山大地震(圖2)。在這次地震之后, 人們發(fā)現(xiàn)地震產(chǎn)生了綿延幾百公里的巨大裂縫, 并且認(rèn)定地震是由于發(fā)生在斷層上的位錯產(chǎn)生。舊金山大地震后學(xué)術(shù)界[3]提出了彈性回跳理論。該理論認(rèn)為：構(gòu)造應(yīng)力對于斷層產(chǎn)生持續(xù)加載, 在加載應(yīng)力達(dá)到足夠大時, 斷層面因失穩(wěn)而破裂。破裂產(chǎn)生的振動在周圍介質(zhì)中傳播 (地震波), 并形成災(zāi)害。地震破裂之后,斷層兩側(cè)的介質(zhì)繼續(xù)受到構(gòu)造應(yīng)力的加載, 經(jīng)過一個地震周期之后,形成下一次地震的破裂。地震周期周而復(fù)始, 斷層經(jīng)過成千上萬個地震周期后形成我們?nèi)缃窨吹降膹?fù)雜形態(tài)。

(a) 1906 年舊金山大地震產(chǎn)生的地表破裂。(b) 2016 年新西蘭 Kaikoura 地震產(chǎn)生的地表破裂。(c) 彈性回跳模型示意圖[1]。

類似于地震，星震發(fā)生時也會導(dǎo)致能量的釋放和轉(zhuǎn)動慣量的突變, 這將表現(xiàn)為脈沖星自轉(zhuǎn)周期的躍變 (glitch)，它被認(rèn)為與殼層的能量釋放有關(guān)[4]，并且固態(tài)奇子星比僅擁有固態(tài)殼層的中子星更有利于解釋周期躍變的幅度和間隔。2021 年 12 月 11 日, 短伽馬射線暴 GRB 211211A 就被探測到了類似的前兆輻射, 并且前兆輻射中還觀測到了準(zhǔn)周期性的振蕩現(xiàn)象 (Quasi-Periodic Oscillations, QPO) [5]。

利用該星震模型，結(jié)合固態(tài)奇子星的一些振蕩模式的特征頻率，可以利用奇子星-黑洞并合過程理解該前兆輻射的總能量釋放和準(zhǔn)周期性振蕩的頻率[6]。類似震蕩模式也是全球地震學(xué)的主要研究內(nèi)容。此外，在許多快速射電暴的統(tǒng)計研究中也發(fā)現(xiàn)類似地震發(fā)生頻率和數(shù)量的統(tǒng)計關(guān)系（如Gutenberg-Richter定律、Omori定律）[7]，表明：致密星的星震極有可能觸發(fā)FRB，并伴隨致密星的周期躍變和準(zhǔn)周期振蕩等現(xiàn)象。

致密天體的星震過程表現(xiàn)出種種與地震活動相似的細(xì)節(jié)，這讓人不能不懷疑二者之間存在千絲萬縷的聯(lián)系。誠然本文的討論含有較大的猜測性，但為了能更好地將二者進(jìn)行比對，我們需要搜集更多來自宇宙的信息。新一代天文設(shè)備或?qū)槲覀儙眢@喜，推動星震學(xué)研究。我們期待并相信，隨著越來越豐富的觀測現(xiàn)象的積累，基于地震理論而建立的星震模型在理解極端天文事件時會得到進(jìn)一步完善和發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

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