迄今最大中子星?測算方法新進步,質量數值近上限

2020-11-24 騰訊網

中子星最大質量極限？新現身的脈衝星，或許可以從更精確的測算方法著手

天文學家們已經確認了可能為迄今為止發現的最大中子星。

這是一顆名為J0740+6620的脈衝星，根據脈衝發放的時間差可以計算確認它的質量為太陽的2.14倍，其大小則只有30公裡（約19英裡）。

為了方便比較，太陽的直徑為1，391，000公裡（約864，000英裡）。

這些測量數據使得J0740+6620成為68%可信區間內超過2倍太陽質量的第一顆中子星，也令它十分接近去年以引力波天文學為基礎測算出的旋轉中子星2.3倍太陽質量的上限。

該發現加深了我們對這些極端天體上限的理解。

中子星起源於8倍至30倍於太陽質量的恆星。當它們死去時，這些恆星通過一系列的熱核爆炸向太空中噴射其外層物質，並將一切殘存可用的物質碎片融合進剩下的內核中。

圖源：eurekalert

一旦內核完全融合為鐵核，維持它的壓力就會迅速下降，之後內核崩解，將中子壓緊直到它們填滿可能的最小空間。結果產生的天體與原子核擁有同樣大的密度。

圖源：zmescience

這和黑洞形成的過程很相似，只不過黑洞的質量更大；然而，所有被探測到的黑洞都大於5倍太陽質量。

在中子星質量上限和黑洞質量下限之間存在著什麼仍然是個謎——但一個如此大質量的中子星將會對這個謎題的解答有所啟發。

天文學家測算J0740+6620質量的方法十分巧妙——有賴於從地球觀測到的這顆星星的屬性和方位。

J0740+6620是一顆毫秒脈衝星，距離地球約4500光年遠。這意味著它旋轉的速度快得驚人，且其角度使得它每旋轉一圈都能將發射自磁極的強烈無線電波束掃向地球——以毫秒級規模。

這些脈衝的規律性可以在多方面得到應用，但當它們顯示微弱的不規則性時也存在相當大的研究價值。

圖源：public.nrao.edu

該脈衝星存在於一個雙星系統中，其伴星為一顆白矮星，這給了我們謎題的第二塊拼圖：雙星系統以邊緣側面朝向地球，導致白矮星在我們和脈衝星之間經過——這種現象被稱為「越過」。

維吉尼亞大學國家射電天文臺的唐克福·克羅馬蒂帶領的天文團隊就是通過白矮星重力作用對該中子星脈衝發放規律性的輕微擾動方式來測算其質量的。

這個擾動叫做夏皮羅時間延遲（上圖動畫所示），當脈衝星發射的光線路徑被白矮星的重力作用所彎曲，這種擾動就會發生，使得白矮星隔在我們和脈衝星之間時，這段光線到達地球花費的時間稍長一些。但這種擾動其實十分輕微——時間差異只有十萬分之一秒。

克羅馬蒂和她的團隊綜合了五年的有價值研究數據和兩次專門觀測活動結果，終於確定了延遲的精確時間。這使他們能夠計算出該白矮星對時空的彎曲作用程度，進而推測出白矮星的質量。

一旦雙星系統中的一個天體質量已知，計算出另一天體的質量就很簡單了——在68.3%的可信區間內用2.14+0.10 0.09 M⊙的公式計算得出。

我們其實並不知道一個中子星能達到多大。通常被引用的數字是3倍太陽質量，但事實上還沒有探測到過超過2.5倍太陽質量的中子星。

在此之前，最大的中子星可能是PSR J2215+5135，鎂線測得質量約為2.27倍太陽質量的一顆脈衝星；或者PSR B1957+20，光譜推測徑向速度進而估算得出高達2.4倍太陽質量的中子星。但團隊指出，這兩種測算方法的精確度可靠性都不及射電時間的方法。

也有稍微小一些的中子星PSR J0348+0432，約2.01倍太陽質量，也是應用了夏皮羅時間延遲方法測得的。

不管最新發現的這顆脈衝星是否是迄今為止最大的中子星，對它的研究都無疑使我們能夠更多了解這些神秘的星體。

蟹狀星雲的視覺合成與X射線圖像，顯示了其中心脈衝中子星(Velar Pulsar)的強磁場和物質引起的周圍星雲能量變化情況。該中子星為一次超新星爆炸的殘留物。圖源：simple.m.wikipedia

「中子星有多神秘就有多迷人，」克羅馬蒂說道。

「這些體積只有城市大小的天體實質上是巨大的原子核體。它們的質量實在是太大了，以致其內部具有某些詭異的特性。尋找物理學和自然界所允許的最大質量極限可以使我們了解大量此領域以及天體物理學中其他未知領域的問題。」

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. Erica- MICHELLE STARR

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