中子星物理的黃金時代已經到來

本文由《Nature 自然科研》授權轉載，歡迎訪問關注。

原文作者：Adam Mann

這些星體屬於宇宙中最為神秘的一部分存在，現在關於它們的謎團終於開始解開。

當一顆大質量恆星在超新星爆發中消亡時，它的爆炸只不過是終末的開始。

在一項計算機模擬中，自旋中子星周圍的強大電磁場將帶電粒子「抽」得團團亂轉。來源：NASA戈達德太空飛行中心

大部分構成星體的物質都會被拋灑到遙遠又廣大的一片區域中，但恆星那鐵質為主的核心會遺留下來。擁有兩倍於太陽質量的恆星核會快速地收縮成尺寸只有曼哈頓島那麼大的一個球體。具有毀滅性力量的內部壓強——足以將珠穆朗瑪峰壓縮到方糖大小——將把原子內的質子和電子融合成中子。

關於中子星誕生的過程，天文學家們就只知道上面那麼多。在這之後，這些極其緻密的核心中具體究竟發生了什麼，依然是個謎。有些研究者提出理論認為，一直到星核中心為止，中子都佔主導地位。其他一些假說認為，中子星裡不可思議的壓強會把物質壓縮成更加奇異的，以不尋常的方式被擠壓變形的粒子或物質態。

在幾十年的猜測後，現在研究者們距離解答這個謎題更近了一步。這要部分歸功於國際空間站上搭載的一臺名為「中子星內部組成探測器」（NICER）的設備。

去年十二月，美國航天局的NICER給天文學家們提供了一些有史以來最精確的關於中子星質量和半徑的測量結果[1,2]，以及意料之外的涉及中子星磁場的新發現[1,3]。NICER團隊計劃在接下來的幾個月裡公布有關更多恆星的結果。其他數據來自於引力波天文臺，它們能觀測到中子星在碰撞合併時產生的扭曲。有了這些聯合觀測的結果，研究者們已經擺好架勢，準備直擊中子星內容物這一問題的核心。

對於這一領域的許多人來說，這些結果標誌著對宇宙中這些最撲朔迷離的天體的研究的一個轉折點。「這是中子星物理研究的黃金時代的開始。」德國法蘭克福大學的理論物理學家Jürgen Schaffner-Bielich說。

NICER耗資6200萬美元，於2017年搭載SpaceX的獵鷹9號火箭升空。它被安置在空間站的外側，以收集來自脈衝星的X射線。脈衝星是不斷自旋並發射巨大的高能射線束和帶電粒子束的中子星，這些粒子束就像燈塔發射的光束一樣掃過宇宙空間。X射線源自脈衝星表面的那些幾百萬攝氏度的熱點區。在這裡，強大的磁場將帶電粒子由星體表面剝離，再將它們重重地砸向異性磁極。

NICER使用56臺鍍金望遠鏡探測這些X射線，並為它們打上精度在100納秒以內的時間戳，標記到達時間。這樣一來，研究者們可以在中子星高至一秒一千轉的自轉過程中精確地追蹤表面熱點。熱點區在掃過觀察者方向時是可見的，然而中子星對時空的強烈彎曲會讓NICER也會觀測到來自背對地球那側的熱點的射線。愛因斯坦的廣義相對論給出了使用星體彎曲光線的程度來計算天體質量半徑比的方法。這個方法以及其他的一些觀測結果，允許天體物理學家們清楚地算出這些逝去恆星的質量和半徑。而這兩個性質可以進一步幫助我們確認中子星核心中在發生什麼。

深邃黑暗的謎團

越深入研究中子星，就越覺得複雜。人們認為在主要由氫和氦構成的稀薄大氣層下，這些星體殘骸有一層只有約一到兩釐米厚的由原子核和自由電子構成的外殼。研究者們認為接下來的一層結構是由被電離的各種元素共同組成的晶格。在此層之內，極高的壓強使得幾乎所有的質子都與電子結合，從而形成了中子，但對於在此之外的過程，我們的了解最多只能稱得上是模糊的（參見『緻密物質』）。

「了解成分是一回事，」加州州立大學的天體物理學家Jocelyn Read說，「明白具體的組成配方和成分之間如何互作是另一回事。」

得益於地球上的粒子加速器，物理學家們對於究竟發生了什麼有那麼一些概念。在諸如紐約布魯克海文國家實驗室和歐洲核子研究中心的大型強子加速器這樣的設施裡，研究者們使重離子對撞，比如鉛和金，以創造少量極為緻密的物質。然而，這些動能碰撞實驗會產生數十億乃至數萬億攝氏度的高溫，在這樣的溫度下質子和中子會融解為一團夸克和膠子湯。地球上的設備是難以探測像中子星內部相對溫和的、僅有百千萬攝氏度的狀況。

對於中子星內部可能發生了什麼，有幾種不同的看法。一種可能性是夸克和膠子自由移動。又或者，極高的能量會導致名為超子的粒子產生。與中子類似，這種粒子含有三個夸克。不同的是，中子含有的是最為基礎和低能量的夸克——上夸克和下夸克，而超子至少含有一個奇夸克。還有一種可能是，中子星的中心處於玻色-愛因斯坦凝聚態，這是一種所有的亞原子粒子都像單一量子力學實體那樣行動的狀態。當然，理論學者們還提出了其他更加古怪的看法。

最關鍵的是，每一種可能性都會以它們獨特的方式來對抗中子星那巨大的引力。它們會產生各不相同的內部壓強，以及對給定質量而言稍大些或稍小些的半徑。比如說一個擁有玻色-愛因斯坦凝聚核心的中子星，其半徑可能小於一個由中子這種常規物質構成的中子星的半徑。而一個含有更為柔韌的超子核的中子星能有比上述兩種情況更小一些的半徑。

「粒子的種類和它們之間的作用力會影響物質具體有多軟或是多黏糊。」NICER團隊成員之一、阿姆斯特丹大學的Anna Watts說。

為了區分這些模型，需要對中子星的尺寸和質量進行精確測量，但是研究者們至今還沒有將他們使用的技術提高到足夠的精度，來分辨哪種模型具有更高的可能性。一般來說，他們通過觀測雙星組合中的中子星來估測星體質量。

當天體互相公轉時，它們的引力會拖動對方。天文學家們可以利用這一點來估算天體的質量。大概有35顆星體的質量是這樣測量出來的，雖然這些數值常常有一個太陽質量那麼大的誤差。僅有12顆左右的中子星的半徑被估算出來。但很多情況下，估算半徑的方法精度只能達到幾千米這個數量級——這已經有中子星尺寸的五分之一之多。

NICER使用的熱點區方法過去也曾被歐洲航天局的XMM-牛頓X射線望遠鏡使用過，後者發射於1999年，目前仍在運行中。NICER的敏感度是XMM-牛頓望遠鏡的四倍，解析度則是它的數百倍。在未來兩三年內，NICER團隊預計將利用NICER計算另外大約六顆中子星的質量和半徑，這次將會把半徑估算的誤差壓縮到半公裡以內。憑藉這樣的精度，這個團隊能準備好開始推算所謂的中子星狀態方程。這個方程能將中子星的質量與半徑，或者等價地說，內部壓強與密度聯繫起來。

如果科學家們特別幸運，而自然又剛好樂意提供質量優異的數據的話，NICER有可能幫助我們排除中子星狀態方程的幾個特定版本。但是，多數物理學家認為這個探測器多半只能縮小可能範圍，而非完全排除一部分描述這些神秘天體核心狀況的模型。

「那依然會是向前的一大步。」Watts說。

場線

NICER的第一個目標是J0030+0451——一顆孤立地以每秒200轉頻率旋轉的脈衝星。它位於雙魚座，距地球337秒差距（1100光年）。

兩個小組——一個主要來自阿姆斯特丹大學[1]，另一個則由馬裡蘭大學[2]的研究者們主導——分別梳理了850個小時的觀測數據，以互相作為對方工作的對照檢查。

基於對NICER數據分析得到的脈衝星J0030+0451上熱點旋轉的兩種情況。來源：NASA戈達德太空飛行中心/CI實驗室

由於熱點區的光強曲線是如此複雜，所以兩個團隊需要用超級計算機來對各種配置進行建模，並計算哪種配置與數據匹配得最好。兩個團隊最終得出的結果十分類似，都發現J0030擁有約1.3倍或1.4倍於太陽的質量，以及約13千米的半徑。

這些結果還不是定論：它們能同時被用來支持常規或是超常的對中子星內部情況的預測。「目前為止，還沒有必要引入任何時新的，瘋狂的抑或是古怪的猜想。」田納西大學的核天體物理學家Andrew Steiner說。

關於熱點區形狀和位置的新發現給了研究者們更大的意外。至於中子星的磁場，正統觀點認為它們的磁力線就和條狀磁鐵周圍的看起來差不多——磁北極和磁南極從星體對側的圓形區域產生。與此相對，荷蘭的超算模擬提示J0030的兩個熱點區都位於它的南半球，並且其中一個是長長的彎月形[1]。馬裡蘭團隊也得到了一種有三個熱點的可能解：兩個在南半球的卵形熱點和一個靠近自旋南極的圓形熱點[3]。

「看起來他們可能首次完成了對發射光束並非180度對立的脈衝星的真實觀測。」土魯斯天體物理與行星學研究所的天體物理學家Natalie Webb說，她曾為類似的可能性做過模擬，「如果這的確屬實，那就太棒了。」

這些結果會強化過去那些宣稱中子星磁場（強度為太陽磁場的一萬億倍）比一般設想更加複雜的觀測和理論。一般認為，脈衝星會在它們形成後的幾百萬年間慢慢地降低轉速。然而，如果它們有一顆環繞旋轉的伴星，就可能從伴星那裡「偷取」物質和角動量，從而使自身以超快的速度自轉。

一些理論學者提出，當這些物質沉積在脈衝星的表面時，會對淺層的類流體中子層產生影響，從而產生巨大的渦流。這些渦流會把中子星的磁場扭曲成奇怪的布局。最終，這顆伴星可能會被完全吸收，或是損失了太多質量以至於無法繼續被引力束縛而飛離而去。目前孤單的J0030可能就是這種情況。

工作進行時

NICER正在繼續觀測J0030，以進一步提高對其半徑測量的精確度。與此同時，NICER團隊正準備開始分析來自第二個目標的數據。這是一顆略重一些，並帶有一顆白矮星伴星的脈衝星。其他天文學家曾使用這對雙星的軌道變動觀測結果，來計算這顆脈衝星的半徑，因此，NICER團隊可以利用過去的獨立測量結果來驗證他們的發現。

利用56臺鍍金望遠鏡來收集X射線的NICER探測器被安裝在國際空間站的外側。來源：NASA

研究團隊計劃在NICER的目標中涵蓋至少一對高質量脈衝星，包括目前的中子星最大質量記錄持有者——一顆達到2.14倍太陽質量的龐然巨物。這使得研究者們可以探究中子星由於質量過大從而塌縮為黑洞的一個上限。解釋這顆2.14倍於太陽質量的天體，對理論學家來說就已經是個挑戰了。還有幾位研究者提議說NICER或許可以尋找兩顆質量相同但半徑不同的中子星。這樣的發現能說明過渡點的存在，在這一狀態下，微小的差異就能產生兩種完全不同的星核。比如說，一顆中子星核可能主要包含中子，而另一顆則可能由更加奇異的物質構成。

雖然NICER處於先鋒地位，但它並不是唯一一臺探索脈衝星內涵的設備。2017年，美國的雷射幹涉引力波天文臺（LIGO）以及義大利的室女座幹涉儀（Virgo）探測到了兩顆中子星碰撞併合的信號[4]。這兩個天體在碰撞前互相繞對方旋轉時，會發射引力波信號，其中包含了它們的大小和結構信息。兩顆中子星的巨大引力都會互相對對方產生拖動和變形效應，最終將兩者都由球體扭曲為淚滴形。在併合前最終時刻發生的變形程度，可以給物理學家們提供一些關於中子星內部物質可塑程度的線索。

去年四月，LIGO在路易斯安娜的設施第二次捕捉到了中子星碰撞的信號，更多的碰撞事件可能隨時被觀測到。到目前為止，這兩次併合事件只提供了一些關於中子星內部性質的線索，顯示這些內容物並不是特別具有可塑性。然而，現有的這一批設備還無法觀測到關鍵的併合前的最後時刻。在這一時刻，扭曲的效應最強，也能最清晰地展示出中子星內部的狀態。

日本的神岡引力波探測器預計將在今年晚些時候上線，而印度的引力波探測計劃預計將在2024年啟動。這些新設施與LIGO和Virgo一道，可以提高探測的敏感度，甚至有望捕捉到中子星碰撞前時刻的一些細節。

進一步展望未來，若干計劃中的新設備可以觀測到NICER和這一代引力波探測器無法捕捉的事件。一顆名為增強型X射線時變與偏振探測空間天文臺（eXTP）的中歐合作衛星計劃於2027年發射。它將會探究孤立的和雙星系統內的中子星，幫助獲得中子星狀態方程。研究者們也提出了另一個可能在2030年代升空的空間探測項目——寬能帶X射線時域分辨光譜天文臺（STROBE-X）。該項目將使用NICER的熱點技術，進一步以更高的精度確定至少20顆中子星的質量和半徑。

中子星的核心大概會總是保留著一些秘密，但是物理學家們現在似乎已經準備好來開始剝去它外層的包裹。LIGO項目組的Read說，她合作參與的一個項目嘗試設想2030年代和2040年代引力波探測器將能夠解決什麼樣的科學問題。在這個過程中，她意識到中子星研究領域的面貌——具體而言，在中子星狀態方程的問題上——將會變得非常不同。

「它是那種你覺得會永遠存在的一樁『懸案』，」Read說，「但是此時此刻，我預計學界將在十年內弄清楚中子星的結構之謎。」

參考文獻：

1.Riley, T. E. et al. Astrophys. J. Lett.887, L21 (2019).

2.Miller, M. C. et al. Astrophys. J. Lett. 887, L24 (2019).

3.Bilous, A. V. et al. Astrophys. J. Lett.887, L23 (2019).

4.Abbott, B. P. et al. Phys. Rev. Lett.119, 161101 (2017).

原文以The golden age of neutron-star physics has arrived為標題發表在2020年3月4日的《自然》新聞特寫版塊

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Nature|doi:10.1038/d41586-020-00590-8

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