誕生於巨大恆星死亡之時的「中子星」到底有多大?

2020-11-22 和訊科技

新浪科技訊 北京時間10月15日消息，據國外媒體報導，中子星大概是宇宙中最奇特的天體之一。它們誕生於巨大恆星死亡之時，既擁有極強的引力，又有著極高的溫度和密度，遠遠超過我們在實驗室中創造出的任何物質。

儘管我們認識中子星已有大半個世紀了，但天體物理學家仍不清楚它們究竟有多大。中子星存在兩個未解之謎：其中央究竟是什麼？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。據研究人員估測，一顆質量約為太陽1.4倍的中子星的半徑介於8至16公裡之間。而相比之下，太陽的半徑約為69.6萬公裡。

用我們的望遠鏡看去，就連普通的恆星也太過渺小、不過是個光點而已。因此，想直接測量中子星的體積是不可能的。

不過，天體物理學家非常擅長開展間接測量。在當前研究中，他們將多種電磁觀測（以光為基礎）手段、以及實驗室分析和理論模型結合在一起。雖然測算出的半徑範圍較大（就好像說人類的身高介於1.2米至2.4米之間一樣），但對中子星結構的所有測算結果和理論推測都落在了這一範圍之內。

但天體物理學家還能更進一步嗎？答案也許是肯定的，因為現在有了更多研究工具作為助力：比如引力波天文臺LIGO和Virgo、以及中子星內部成分探測器（NICER）。其中，NICER是一臺位於國際空間站上的X射線觀測儀，專用於研究中子星的結構。

「我們將引力波觀測和電磁波觀測結合在了一起，運用了多種差別巨大的技術。」阿姆斯特丹大學中子星天體物理學家、NICER項目的參與者安娜·沃茨（Anna Watts），「這是一個非常有意思的領域。」

中子星的「心態」

在今年年初發表的一項研究中，研究人員將針對相撞的雙中子星系統GW170817（最早於GW170817觀測到）進行的引力波觀測和電磁波觀測及核物理技術進行了整合。該研究發現，一顆質量相當於太陽1.4倍的中子星的半徑介於10.4至11.9公裡之間。與之前的估算結果相比，這已經是個很大的改進了。

GW170817發出的電磁輻射來自一顆「千新星」，即中子星合併時核反應產生的高能光線。天文學家利用望遠鏡，在從伽馬射線到射電光線的各個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於GW170817的不同方面的信息。

「兩顆中子星合併時，在合併之前會噴發出大量物質，這與它們相撞後會形成什麼天體有關。」馬克斯·普拉克引力物理研究所天體物理學家史蒂芬妮·M·布朗（Stephanie M。 Brown）指出。根據噴射出的物質釋放出的光線、引力波特徵、以及核物理計算結果，布朗和合作研究者們計算出的半徑與其它獨立測算結果均一致。

由於中子星太過複雜，我們必須掌握大量數據才行。根據目前對中子星的了解，當一顆大型恆星變成超新星時，其內核會在引力作用下發生坍縮，其中的物質被急劇壓縮，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。」沃茨指出，「你可以對不同的中子星採用多種觀測方法、運用多種不同的觀測技術，對這些理論進行交叉驗證。」

中子星內部的密度和壓力會隨著深度不斷增加，由此可以劃分為兩個或更多分區，類似於地球的地幔和熔融內核。對內部狀態的數學描述叫做「狀態方程」，它將質量與半徑聯繫在了一起，可以確定中子星的最大質量是多少。

天體物理學家還沒有得出完整的狀態方程，不過也並不是一無所知。中子星的大小完全由引力和核力決定，而太陽這樣的普通恆星的大小則會在一生之中不斷變化。正常情況下，中子星都是完美的球形，否則在旋轉時就會釋放出可探測到的引力波。不過，在GW170817這類碰撞發生時，兩顆中子星之間的強大引力便會將它們拉得變形。這種現象叫做潮汐變形，也是一種由狀態方程決定的性質。

雖然在實驗室中無法重現中子星內部的超大密度和壓力，但天體物理學家可以從低密度核實驗中推演出相關核粒子之間的相互作用。再加上強有力的理論工具——手稱有效場模型，這些實驗結果成功確定了狀態方程的邊界條件。

「你要先觀察到雙中子星系統形成的引力波，然後利用貝葉斯參數估計法得出中子星的半徑、質量、自轉情況、以及潮汐變形情況。」布朗指出。

利用這種方法，便得到了給定質量的情況下、對中子星半徑最精確的估算結果。

NICER一展身手

在科學研究中，光憑一套系統得出結論是遠遠不夠的。但到目前為止，大自然尚未為我們提供第二次既產生了引力波、又釋放了千新星信號的中子星相撞事件。

好在，NICER探測器並不需要中子星發生相撞、甚至不需要雙中子星系統。它可以測量到中子星系統發出的X射線波動和譜線，包括快速旋轉的脈衝星，它會產生密集的光束，用望遠鏡看去，就好像規律的閃光一樣。

這些閃光可能是物質落到中子星表面時產生的，這或許可以為我們提供與中子星半徑相關的信息。閃光還可能出現在距離較遠、暫時不會相撞的雙星系統中，比如首次向世人揭示引力波存在的Hulse-Taylor雙脈衝星等等。

NICER對GW170817的探測結果與布朗團隊的研究結論並不是完全相符。由於NICER的數據存在不確定性，這不是個大問題，但布朗和沃茨均認為，最好再深入研究一下造成差異的原因。

「如果NICER的結果與我們的相一致，那就太好了。」布朗指出。她認為，這兩項研究之間的差異就類似於對宇宙膨脹速度的測算，後者在宇宙學界也是眾說紛紜。

與此同時，沃茨懷疑這些差異可能與對千新星的觀測有關。倒不是說這些觀測是錯的，而是可能存在某種未知的系統性問題，即對模型偏差的理解不同，這可能會影響我們對原始數據的分析，進而影響我們從複雜系統中提煉出的測量結果。

「你必須非常小心，因為你最終推斷出的東西可能並不是你一開始提出的東西。」沃茨表示，「最終，如果你想把各種不同的測量結果匯總在一起，就需要充分了解狀態方程的性質。」

NICER探測器的任務才剛開始不久。沃茨和布朗都會持續留意是否有新結果問世。

有趣的是，天文學家在2020年6月剛剛宣布了一個引力波系統，該系統既可能使問題變得更加複雜、又可能幫我們弄清一些事情。這個名叫GW190814的系統由一個黑洞、以及一個質量為太陽2.6倍的未知天體構成。質量這麼輕的天體不大可能是個黑洞，而針對千新星的研究又顯示，中子星不會長到這麼大。不過沃茨指出，根據目前的NICER探測結果，質量為太陽2.6倍的中子星是有可能存在的。這樣一來，GW190814系統的問題就迎刃而解了。

無論最終真相如何，天體物理學家已經在測量極小天體這件事上取得了巨大的進步。這都要歸功於他們採用的多信使、跨專業研究手段。如果我們能通過NICER和引力波獲得更多觀測結果，中子星的大小和組成之謎也許終有解開之日。（葉子）

（責任編輯：季麗亞 HN003）

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