北京時(shí)間 10 月 15 日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，中子星大概是宇宙中最奇特的天體之一。它們誕生于巨大恒星死亡之時(shí)，既擁有極強(qiáng)的引力，又有著極高的溫度和密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的任何物質(zhì)。
盡管我們認(rèn)識中子星已有大半個(gè)世紀(jì)了，但天體物理學(xué)家仍不清楚它們究竟有多大。中子星存在兩個(gè)未解之謎：其中央究竟是什么？它們的體積可以增長到多大？
我們知道，中子星的體積相對來說比較小。據(jù)研究人員估測，一顆質(zhì)量約為太陽 1.4 倍的中子星的半徑介于 8 至 16 公里之間。而相比之下，太陽的半徑約為 69.6 萬公里。
用我們的望遠(yuǎn)鏡看去，就連普通的恒星也太過渺小、不過是個(gè)光點(diǎn)而已。因此，想直接測量中子星的體積是不可能的。
不過，天體物理學(xué)家非常擅長開展間接測量。在當(dāng)前研究中，他們將多種電磁觀測（以光為基礎(chǔ)）手段、以及實(shí)驗(yàn)室分析和理論模型結(jié)合在一起。雖然測算出的半徑范圍較大（就好像說人類的身高介于 1.2 米至 2.4 米之間一樣），但對中子星結(jié)構(gòu)的所有測算結(jié)果和理論推測都落在了這一范圍之內(nèi)。
但天體物理學(xué)家還能更進(jìn)一步嗎？答案也許是肯定的，因?yàn)楝F(xiàn)在有了更多研究工具作為助力：比如引力波天文臺 LIGO 和 Virgo、以及中子星內(nèi)部成分探測器（NICER）。其中，NICER 是一臺位于國際空間站上的 X 射線觀測儀，專用于研究中子星的結(jié)構(gòu)。
“我們將引力波觀測和電磁波觀測結(jié)合在了一起，運(yùn)用了多種差別巨大的技術(shù)?！卑⒛匪固氐ご髮W(xué)中子星天體物理學(xué)家、NICER 項(xiàng)目的參與者安娜 · 沃茨（Anna Watts），“這是一個(gè)非常有意思的領(lǐng)域?！?/p>
中子星的 “心態(tài)”
在今年年初發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員將針對相撞的雙中子星系統(tǒng) GW170817（最早于 GW170817 觀測到）進(jìn)行的引力波觀測和電磁波觀測及核物理技術(shù)進(jìn)行了整合。該研究發(fā)現(xiàn)，一顆質(zhì)量相當(dāng)于太陽 1.4 倍的中子星的半徑介于 10.4 至 11.9 公里之間。與之前的估算結(jié)果相比，這已經(jīng)是個(gè)很大的改進(jìn)了。
GW170817 發(fā)出的電磁輻射來自一顆 “千新星”，即中子星合并時(shí)核反應(yīng)產(chǎn)生的高能光線。天文學(xué)家利用望遠(yuǎn)鏡，在從伽馬射線到射電光線的各個(gè)電磁譜段上對千新星展開了分析。每一次觀測都為我們提供了關(guān)于 GW170817 的不同方面的信息。
“兩顆中子星合并時(shí)，在合并之前會(huì)噴發(fā)出大量物質(zhì)，這與它們相撞后會(huì)形成什么天體有關(guān)?！瘪R克斯 · 普拉克引力物理研究所天體物理學(xué)家斯蒂芬妮 ·M· 布朗（Stephanie M。Brown）指出。根據(jù)噴射出的物質(zhì)釋放出的光線、引力波特征、以及核物理計(jì)算結(jié)果，布朗和合作研究者們計(jì)算出的半徑與其它獨(dú)立測算結(jié)果均一致。
由于中子星太過復(fù)雜，我們必須掌握大量數(shù)據(jù)才行。根據(jù)目前對中子星的了解，當(dāng)一顆大型恒星變成超新星時(shí)，其內(nèi)核會(huì)在引力作用下發(fā)生坍縮，其中的物質(zhì)被急劇壓縮，直到原子核被壓成一堆核粒子的混合物。這些粒子主要是中子，不過也可能有質(zhì)子、甚至夸克。
“中子星可能有多種不同的組成，不同的粒子間作用力，你可以針對這些提出各式各樣的有趣理論?！蔽执闹赋?，“你可以對不同的中子星采用多種觀測方法、運(yùn)用多種不同的觀測技術(shù)，對這些理論進(jìn)行交叉驗(yàn)證?！?/p>
中子星內(nèi)部的密度和壓力會(huì)隨著深度不斷增加，由此可以劃分為兩個(gè)或更多分區(qū)，類似于地球的地幔和熔融內(nèi)核。對內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)學(xué)描述叫做 “狀態(tài)方程”，它將質(zhì)量與半徑聯(lián)系在了一起，可以確定中子星的最大質(zhì)量是多少。
天體物理學(xué)家還沒有得出完整的狀態(tài)方程，不過也并不是一無所知。中子星的大小完全由引力和核力決定，而太陽這樣的普通恒星的大小則會(huì)在一生之中不斷變化。正常情況下，中子星都是完美的球形，否則在旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)釋放出可探測到的引力波。不過，在 GW170817 這類碰撞發(fā)生時(shí)，兩顆中子星之間的強(qiáng)大引力便會(huì)將它們拉得變形。這種現(xiàn)象叫做潮汐變形，也是一種由狀態(tài)方程決定的性質(zhì)。
雖然在實(shí)驗(yàn)室中無法重現(xiàn)中子星內(nèi)部的超大密度和壓力，但天體物理學(xué)家可以從低密度核實(shí)驗(yàn)中推演出相關(guān)核粒子之間的相互作用。再加上強(qiáng)有力的理論工具——手稱有效場模型，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果成功確定了狀態(tài)方程的邊界條件。
“你要先觀察到雙中子星系統(tǒng)形成的引力波，然后利用貝葉斯參數(shù)估計(jì)法得出中子星的半徑、質(zhì)量、自轉(zhuǎn)情況、以及潮汐變形情況。”布朗指出。
利用這種方法，便得到了給定質(zhì)量的情況下、對中子星半徑最精確的估算結(jié)果。
NICER 一展身手
在科學(xué)研究中，光憑一套系統(tǒng)得出結(jié)論是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。但到目前為止，大自然尚未為我們提供第二次既產(chǎn)生了引力波、又釋放了千新星信號的中子星相撞事件。
好在，NICER 探測器并不需要中子星發(fā)生相撞、甚至不需要雙中子星系統(tǒng)。它可以測量到中子星系統(tǒng)發(fā)出的 X 射線波動(dòng)和譜線，包括快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，它會(huì)產(chǎn)生密集的光束，用望遠(yuǎn)鏡看去，就好像規(guī)律的閃光一樣。
這些閃光可能是物質(zhì)落到中子星表面時(shí)產(chǎn)生的，這或許可以為我們提供與中子星半徑相關(guān)的信息。閃光還可能出現(xiàn)在距離較遠(yuǎn)、暫時(shí)不會(huì)相撞的雙星系統(tǒng)中，比如首次向世人揭示引力波存在的 Hulse-Taylor 雙脈沖星等等。
NICER 對 GW170817 的探測結(jié)果與布朗團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)論并不是完全相符。由于 NICER 的數(shù)據(jù)存在不確定性，這不是個(gè)大問題，但布朗和沃茨均認(rèn)為，最好再深入研究一下造成差異的原因。
“如果 NICER 的結(jié)果與我們的相一致，那就太好了?！辈祭手赋觥ＫJ(rèn)為，這兩項(xiàng)研究之間的差異就類似于對宇宙膨脹速度的測算，后者在宇宙學(xué)界也是眾說紛紜。
與此同時(shí)，沃茨懷疑這些差異可能與對千新星的觀測有關(guān)。倒不是說這些觀測是錯(cuò)的，而是可能存在某種未知的系統(tǒng)性問題，即對模型偏差的理解不同，這可能會(huì)影響我們對原始數(shù)據(jù)的分析，進(jìn)而影響我們從復(fù)雜系統(tǒng)中提煉出的測量結(jié)果。
“你必須非常小心，因?yàn)槟阕罱K推斷出的東西可能并不是你一開始提出的東西?！蔽执谋硎?，“最終，如果你想把各種不同的測量結(jié)果匯總在一起，就需要充分了解狀態(tài)方程的性質(zhì)。”
NICER 探測器的任務(wù)才剛開始不久。沃茨和布朗都會(huì)持續(xù)留意是否有新結(jié)果問世。
有趣的是，天文學(xué)家在 2020 年 6 月剛剛宣布了一個(gè)引力波系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可能使問題變得更加復(fù)雜、又可能幫我們弄清一些事情。這個(gè)名叫 GW190814 的系統(tǒng)由一個(gè)黑洞、以及一個(gè)質(zhì)量為太陽 2.6 倍的未知天體構(gòu)成。質(zhì)量這么輕的天體不大可能是個(gè)黑洞，而針對千新星的研究又顯示，中子星不會(huì)長到這么大。不過沃茨指出，根據(jù)目前的 NICER 探測結(jié)果，質(zhì)量為太陽 2.6 倍的中子星是有可能存在的。這樣一來，GW190814 系統(tǒng)的問題就迎刃而解了。
無論最終真相如何，天體物理學(xué)家已經(jīng)在測量極小天體這件事上取得了巨大的進(jìn)步。這都要?dú)w功于他們采用的多信使、跨專業(yè)研究手段。如果我們能通過 NICER 和引力波獲得更多觀測結(jié)果，中子星的大小和組成之謎也許終有解開之日。
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