中子星碰撞是否會產生黑洞？

2020-11-20 科普直難

原則上，創建恆星質量的黑洞很容易。只需等待一顆大恆星到達壽命盡頭，然後觀察其核心在自重作用下坍塌。如果核心的質量大於2-3個太陽，則它將成為黑洞。小於約2.2太陽質量，它將成為中子星。小於1.4太陽質量，它變成白矮星。

兩顆中子星的碰撞也可能形成黑洞。如果它們合併到一個超出臨界限制的對象中，則應創建一個黑洞。但是那個限制到底是什麼？一項《Physical Review Letters》的新研究試圖回答這個問題。該團隊對中子星合併進行了幾次計算機模擬，發現關鍵極限不僅與兩顆星的總質量有關。取而代之的是，結果取決於中子星的內部結構，這仍然是我們尚不完全了解的。

夸克核心的例證在中子星的。圖片來源：CSC的Jyrki Hokkanen – IT科學技術中心

中子星的內部取決於核物質的狀態方程，該方程描述了諸如物質的堅硬程度以及其傳導熱量的能力等事物。有幾個提議的狀態方程，每個狀態方程的屬性略有不同，因此該團隊使用一系列狀態方程模擬了合併。

他們發現，如果中子星的內部相對彈性或「柔軟」，那麼即使小中子星的合併也將產生黑洞。但是，如果內部較硬，則它們不會塌陷成黑洞。取而代之的是，它們將產生一個巨大的，快速旋轉的中子星，該中子星可以抵抗重力崩潰。確定結果的一個關鍵因素是核子在碰撞過程中是否分裂成夸克。

LIGO-Virgo發現了中子星合併。圖片來源：LIGO-Virgo / Frank Elavsky /西北大學

這項研究可能證明對我們了解中子星和黑洞至關重要。2017年，引力波天文臺LIGO和處女座發現了兩個中子星的合併，儘管他們無法分辨結果是黑洞還是大中子星。隨著時間的流逝，應該會看到更多的合併，而且我們應該能夠確定創建黑洞的關鍵限制。結合這項新工作，我們應該能夠確定哪個狀態方程可以最好地描述中子星內部。

（參考：Andreas Bauswein, et al. 「Equation of State Constraints from the Threshold Binary Mass for Prompt Collapse of Neutron Star Mergers.」 Physical Review Letters 125.14 (2020): 141103.）

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