对于量子色动力学（QCD）物质的相图，人们知道核密度（0.16/fm³ 或157.065MeV/fm³）附近的自由度是强子，在超高密度是色味锁定相（color-flavor locked，CFL）的夸克物质，但中等密度（数倍于核密度）的相态未知；由于非微扰难题，该密度区间的物态性质也无法直接求解强相互作用第一性原理QCD理论进行计算。 目前，天体物理学、核物理学和粒子物理学界正做出大量努力对此基础科学问题进行攻克。近日，厦门大学教授李昂（通讯作者）和博士生缪志强与中科院紫金山天文台博士生蒋金靓、唐少鹏及北京大学徐任新教授合作，在夸克星物质的研究上取得进展。

我们的分析基于最近NASA国际空间站上的NICER探测器对脉冲星（J0030+0451）质量和半径的第一个精确可靠的测量。自束缚夸克物质星（简称夸克星）是脉冲星的一种可能的物理模型，自Bodmer-Witten猜想以来几十年间未被证实或排除，研究进展也比较缓慢。对于相对论星体，理论上可基于星体物质的状态方程（EOS，即压强-密度关系）通过Tolman-Oppenheimer-Volkoff（TOV）方程构建处于流体静力平衡的质量-半径稳定构型，所以我们对脉冲星J0030+0451质量和半径的分析提供了星体物质状态的直接信息（如图1）。我们还发现夸克星的最大质量为2.38Msun，典型半径为12.3千米。

图1.四种不同的分析下，夸克星 EOS（左）和相应质量-半径关系（右）的后验分布（95%置信水平）。右图中的橙色区域显示 NICER合作组在68%和95%置信度下的质量-半径测量结果。Normal、CFL、CFLm代表三种不同的夸克星模型；2.14Msun pulsar代表目前最重的脉冲星J0740+6620的质量测量。

而且，我们详细研究了夸克星有无壳层对结果的影响（如图2）。夸克星与中子星在结构上有一个本质的不同，即夸克星没有处于中子滴出密度（0.24MeV/fm³）和核密度的内壳层。在目前这一初步探索的工作中，我们假设脉冲星J0030+0451具有与中子星类似的外壳层。这一薄层围绕其夸克物质核心，可能由静电力支撑、浮在星体表面。最后发现壳层会使其典型半径略有增加（小于~2%），对夸克星最大质量的影响可以忽略。

图2.夸克星的质量-半径关系在考虑壳层（灰色虚线区域；三个区域对应三个壳层临界密度）和不考虑壳层（红色阴影区域）的后验分布（95%置信水平）比较。水平线对应典型1.4Msun星体。

相关研究工作已被Monthly Notices of the Royal Astronomical Society接受发表（预印本链接：https://arxiv.org/abs/2009.12571），得到科技部SKA专项、国家自然科学基金、中国载人航天工程巡天空间望远镜专项科学研究经费及厦门市青年创新基金项目的支持。