作者：王维扬（中国科学院大学天文与空间科学学院）

众所周知，固体地球自身具有刚性，当重力加载达到某个临界值时发生破裂将导致地震灾害。类似地，某些与太阳质量相当的固体星球内部应力积累超过其承受极限时，也会自然地发生星震。有趣的是：目前的研究认为，众多极端天体物理事件（包括脉冲星周期跃变、快速射电暴、伽马射线暴、中子星暴发或耀发等）的诱因很可能就跟这类星震事件紧密相关。近期，《中国科学：物理学 力学 天文学》期刊刊文评述了相关研究进展[1]。

日常物质通过电磁相互作用凝聚其组成单元（即原子/分子），以液态、固态形式而存在；当单元之间相互作用可忽略时表现为气态。一般认为原子核即为以核子（质子和中子的统称）为单元但被强力而凝聚的液体。然而，若考虑大质量恒星形成及演化，自引力作用主导下将形成“原子核连成一片”的致密天体。这类天体具有部分或整体的固体结构，往往触发星震过程。无疑，成熟的固体地球物理理论和方法在研究这类星震过程中将找到用武之地、成为“他山之石”。

强引力场下致密物质的状态是当今物理学和天文学关注的焦点之一，涉及基本强相互作用的低能行为。当大质量主序恒星耗尽自身核能源后，其核心区域将诞生由这类致密物质构成的天体。若致密天体的质量不够大、自引力不足以强到塌缩成黑洞, 则星核所有原子核可能会挤成一团而表现为朗道所言的“巨核”，即观测到的脉冲星。

限于低能强相互作用的认识, 虽然尚未定论这类极致密物质的本质, 但是人们有明确的观测证据表明丰富的极端天体物理事件跟巨核紧密相关。跟地球类似，脉冲星往往具有部分甚至整体的固态结构；当其内部应力积累达到某个临界值时将会自然地发生星震。而不同的是，脉冲星具有比地球更高的引力、密度和磁场，故星震活动将诱发剧烈得多的天体活动。在此呼吁促进地震学和天体物理学的交叉融合，并期待借助于更高精度多信使天文观测最终揭晓巨核的本质, 从而加深关于低能强力的理解。

图1. 轻味夸克 (u、d 和 s) 三角形[1]。三角形中灰度表征重子成分的荷质比 R。原子核处于 A 点附近，R ≃ 1/2；中子星 (n 点) 和奇异星 (s 点) 内部的重子组分都近乎电中性。位于s点处、类似于A 点原子核内的基本单元被称为奇子(strangeon)。

1931年初，朗道跟玻尔、Rosenfeld有一次会谈，提及一个有趣的话题[2]：引力塌缩导致原子核挤在一起最终形成“巨核”(giant nucleus), 且那里的电子会紧密地与质子结合在一起以免获得过高的动能。这种巨核后来以“中子星”一词流行开来, 并且被认为是“脉冲星”(1967 年发现) 的本质。然而对巨核而言, 在第一代夸克范畴内, 电中性和夸克的味对称却不能两全其美。随着 1960年代以来粒子物理标准模型的发展与成功, 奇异数(strangeness) 逐渐受到重视, 该自由度的引入能够使得巨核两全其美：同时维持夸克的味对称和电中性, 但需将价夸克味道的数目从“2”推广至“3”。我们将巨核内部、类似原子核中核子但奇异数非零的单元称为“奇子”(strangeon，图1)。诚然，脉冲星到底是传统的中子星还是奇子星，至今未明。

当代地震学发展起源于20世纪初。一个非常著名的震例是 1906 年旧金山大地震(图2)。在这次地震之后, 人们发现地震产生了绵延几百公里的巨大裂缝, 并且认定地震是由于发生在断层上的位错产生。旧金山大地震后学术界[3]提出了弹性回跳理论。该理论认为：构造应力对于断层产生持续加载, 在加载应力达到足够大时, 断层面因失稳而破裂。破裂产生的振动在周围介质中传播 (地震波), 并形成灾害。地震破裂之后,断层两侧的介质继续受到构造应力的加载, 经过一个地震周期之后,形成下一次地震的破裂。地震周期周而复始, 断层经过成千上万个地震周期后形成我们如今看到的复杂形态。

(a) 1906 年旧金山大地震产生的地表破裂。(b) 2016 年新西兰 Kaikoura 地震产生的地表破裂。(c) 弹性回跳模型示意图[1]。

类似于地震，星震发生时也会导致能量的释放和转动惯量的突变, 这将表现为脉冲星自转周期的跃变 (glitch)，它被认为与壳层的能量释放有关[4]，并且固态奇子星比仅拥有固态壳层的中子星更有利于解释周期跃变的幅度和间隔。2021 年 12 月 11 日, 短伽马射线暴 GRB 211211A 就被探测到了类似的前兆辐射, 并且前兆辐射中还观测到了准周期性的振荡现象 (Quasi-Periodic Oscillations, QPO) [5]。

利用该星震模型，结合固态奇子星的一些振荡模式的特征频率，可以利用奇子星-黑洞并合过程理解该前兆辐射的总能量释放和准周期性振荡的频率[6]。类似震荡模式也是全球地震学的主要研究内容。此外，在许多快速射电暴的统计研究中也发现类似地震发生频率和数量的统计关系（如Gutenberg-Richter定律、Omori定律）[7]，表明：致密星的星震极有可能触发FRB，并伴随致密星的周期跃变和准周期振荡等现象。

致密天体的星震过程表现出种种与地震活动相似的细节，这让人不能不怀疑二者之间存在千丝万缕的联系。诚然本文的讨论含有较大的猜测性，但为了能更好地将二者进行比对，我们需要搜集更多来自宇宙的信息。新一代天文设备或将为我们带来惊喜，推动星震学研究。我们期待并相信，随着越来越丰富的观测现象的积累，基于地震理论而建立的星震模型在理解极端天文事件时会得到进一步完善和发展。

【参考文献】

路瑞鹏, 高勇, 胡岩, 等. 从地震到星震. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2024, 54(8): 289501.

Landau L D. On the theory of stars. Phys. Zs Sowjet, 1932, 1, 285.

Reid H F. The Mechanism of the Earthquake, the California Earthquake of April 18, 1906. Report of the Research Senatorial Commission, Carnegie Institution, Washington, DC, 1910, 2: 16-18.

Baym G, Pines D. Neutron starquakes and pulsar speedup. Annals of Physics, 1971, 66, 816.

Xiao S, Zhang Y Q, Zhu Z P, et al. The quasi-periodically oscillating precursor of a long gamma-ray burst from a binary neutron star merger, ApJ, 2024, 970, 6.

Zhou E P, Gao Y, Zhou Y R, et al. The precursor of GRB211211A: a tide-induced giant quake? RAA, 2024, 24, 025019.

Wang W, Luo R, Yue H, et al. FRB 121102: A Starquake-induced repeater? ApJ, 2018, 852, 140.

来源: 《中国科学》杂志社