在致密天体的家族谱系中，中子星与黑洞是已被观测反复确认的存在。然而，在这两者之间，理论物理学家长期预留了一个位置：夸克星。它并非科幻想象，而是基于粒子物理标准模型与量子色动力学推演出的严肃假说。如果它真实存在，将彻底改写我们对物质极端状态下行为的理解。本文从定义、理论根基、观测线索与未解难题四个层面，对夸克星进行系统梳理。
一、夸克星是什么：从“巨大的中子”说起
要理解夸克星，不妨先回顾一个形象的类比：白矮星可视为密集的原子核集合，中子星可视为一颗巨大的原子核，而夸克星则被设想为一颗巨大的中子——组成中子的夸克本身已经分离开来，星体整体由夸克物质构成。更准确地说，夸克星（Quark Star）通常指由奇异夸克物质（Strange Quark Matter）组成的致密星体，因此学术文献中更常用的名称是“奇异星”（Strange Star）。
其形成路径与中子星密切相关。当一颗中子星质量过大，中子简并压不足以抵抗引力坍缩时，中子本身可能“崩解”，内部的夸克被释放出来。在足够高的密度下，上夸克和下夸克通过弱相互作用转化为奇异夸克，形成由三种夸克（上、下、奇异）大致等量构成的状态。Bodmer与Witten在二十世纪七十至八十年代先后论证，这种奇异夸克物质在能量上可能低于普通核物质，因而有可能稳定存在。在这一理论图景下，夸克星的质量和密度介于中子星与黑洞之间；若有额外物质吸积，它最终仍会坍缩为黑洞。
二、理论基石：奇异物质假说与状态方程
夸克星假说的核心，在于奇异夸克物质是否为物质的真正基态。在粒子物理中，奇异夸克比上、下夸克更重，因此单个奇异粒子通常不稳定。但泡利不相容原理改变了局面：当大量夸克聚集时，引入第三种夸克（奇异夸克）可以让更多夸克填充到更低的能级，从而降低整体能量。这一机制使得由uds三种夸克组成的宏观物质团有可能比原子核更稳定。
然而，从假说到可计算的天体模型，关键在于状态方程（Equation of State）。近年来，研究者利用MIT袋模型框架，引入密度依赖的袋压强与矢量耦合强度，试图更自洽地描述夸克物质的去禁闭过程与色荷屏蔽效应。一项2026年发表的工作显示，在适当参数下，奇异夸克物质的每重子能量可降至930 MeV阈值以下，对应的夸克星最大质量可达2.1至2.6倍太阳质量，且与NICER、LIGO/Virgo的多信使约束相容。这意味着，至少从理论计算的角度，夸克星的存在并不与现有引力波与X射线观测相矛盾。
但需要警惕的是，理论自洽不等于物理真实。夸克星模型长期面临一个根本性困难：典型的夸克星质量—半径曲线与中子星高度相似，仅凭现有观测精度难以将两者区分开来。换言之，即使夸克星就在眼前，我们也可能把它误认为一颗中子星。
三、观测线索：几个耐人寻味的候选者
尽管缺乏决定性证据，天文学家仍从 archival 数据中识别出若干“异常”致密星，它们的小半径或特殊热辐射特征难以用常规中子星模型解释。
最常被讨论的候选体之一是RX J1856.5−3754。Chandra与XMM-Newton的观测显示，其X射线谱近乎完美的黑体谱，没有任何原子谱线，且辐射半径仅约4.4 km。中子星通常具有约10 km以上的半径，并因表面存在大气层而产生吸收线或谱特征。RX J1856的“裸表面”特征与极小半径，被一些研究者视为夸克星模型的可能支持：如果星体表面直接暴露夸克物质，电子处于连续态而非束缚态，便不会产生原子谱线。
另一类线索来自脉冲星极冠区的异常。PSR B0943+10的X射线观测给出的极冠面积比经典中子星模型预期小一个量级以上。若将其解释为一颗质量约0.02倍太阳质量、半径仅约2.6 km的小质量夸克星，则极冠区电势降与观测可以协调。不过，这类解释依赖于特定模型假设，尚未被独立观测证实。
在引力波领域，双夸克星并合的预期信号也与双中子星并合存在潜在差异。理论计算表明，取决于夸克物质的结合能，夸克星并合抛射物可能难以产生足够的中子富集环境，从而抑制r过程元素合成与千新星辐射。这意味着未来的引力波事件若伴随异常暗淡的电磁对应体，或许能为夸克星的存在提供间接约束。
四、未解难题：从H双重子到颜色超导
夸克星假说面临的最大挑战，不在天体物理层面，而在粒子物理实验层面。奇异物质理论预言的基本单元之一是H双重子（uuddss六夸克态）。如果H双重子不存在或性质与预期不符，整个奇异物质稳定性的论证便失去关键实验支撑。然而，RHIC与LHC等设施历经二十余年搜寻，至今未报告H双重子的确凿证据。日本J-PARC的相关实验也未给出肯定结论。实验室中亦无法制造奇异夸克物质，使得夸克星理论长期缺乏地面验证的闭环。
此外，夸克星内部可能存在的颜色超导相（如色味锁定相CFL）虽然被理论认为可以降低能量、增强稳定性，但其具体性质与状态方程仍存在大量不确定性。不同超导配对模式对冷却行为、转动演化与并合动力学的影响各异，而这些差异正是未来观测可能加以甄别的方向。同时，夸克星“ electrosphere”（电子云大气）的辐射特征近年来受到更多关注：新生夸克星的冷却可能经历两个可区分的观测阶段，从光球黑体辐射演化为约40 keV附近的窄特征，这为X射线天文台提供了潜在的检验窗口。
五、结语
夸克星是一个被理论允许、被部分观测暗示、但尚未被证实的假说。它的存在与否，不仅关乎天体物理中致密星分类的完整性，更关乎粒子物理对物质基态的基本判断。在缺乏决定性证据的当下，恰当的态度既非轻信也非否定，而是将其视为一个可检验的科学命题：随着NICER对半径的持续约束、LIGO/Virgo/KAGRA对并合信号的累积，以及未来粒子实验对H双重子的进一步搜寻，夸克星的面纱或许会在不远的将来被揭开，也可能被永久证伪。无论结果如何，这一探索过程本身就在加深我们对强相互作用物质在极端条件下行为的理解。
相关问题与回答
1. 夸克星和中子星的根本区别是什么？
中子星由中子（以及少量质子、电子）构成，依靠中子简并压抵抗引力；夸克星则由解禁闭的夸克物质（主要是奇异夸克物质）构成，其物态方程由夸克间的强相互作用决定。理论上夸克星密度更高，但两者的质量—半径关系可能十分接近，导致观测区分困难。
2. 夸克星一定由“奇异”夸克组成吗？
通常所说的夸克星默认指奇异夸克星，即含有上、下、奇异三种夸克。但理论模型中也存在“孤子星”“玻色星”等变体，它们分别基于不同粒子组成假设，与标准奇异夸克星有别。
3. 为什么找到H双重子对夸克星如此重要？
H双重子是奇异夸克物质假说的最小可能稳定单元。如果连六夸克态的H双重子都无法在实验中确认，那么由大量夸克组成的宏观奇异物质能否稳定存在，便缺乏最基础的实验依据。
4. RX J1856为什么被认为是夸克星候选体？
它的X射线谱为纯黑体、无谱线，且辐射半径极小（约4.4 km）。这些特征难以用具有大气层的中子星解释，而与“裸露”夸克表面的预期相符，尽管也存在其他可能的解释。
5. 夸克星最终会变成黑洞吗？
根据理论，如果夸克星吸积足够多的物质，使其质量超过夸克物质状态方程所能支撑的上限，引力将压倒夸克简并压，星体继续坍缩形成黑洞。
6. 引力波观测能区分夸克星和中子星吗？
原则上可以。双夸克星并合的抛射物成分与双中子星并合不同，可能导致千新星辐射的显著差异。但实际区分依赖于对夸克物质结合能的精确约束，目前尚不具备确定性。
7. 目前有确凿的夸克星发现吗？
没有。截至当前，所有候选体（如RX J1856、PSR B0943+10等）的解释都并非唯一，夸克星仍属于“理论假说”范畴，未被决定性观测证实。
8. 中国学者在夸克星研究中做了什么工作？
北京大学徐仁新教授团队等长期从事夸克星与脉冲星相关研究，对夸克星候选体的观测特征、冷却行为及物态方程进行过系统探讨，相关综述发表于中国科学院上海天文台主办的刊物。