用天體物理學家扎文·阿祖馬尼安的話來說，當一顆20個太陽大小的恆星死亡時，它就變成了「大多數人從未聽說過的最不可思議的物體」——一顆城市大小、密度驚人的中子星。一塊桌球大小的中子星重量將超過10億噸。在恆星表面之下，在重力的擠壓下，質子和電子相互熔化，形成了大部分的中微子——因此得名。至少，我們是這麼想的。這個問題遠未解決。天文學家從未近距離看到過中子星，地球上也沒有實驗室能創造出任何密度接近中子星的物質，所以這些物體的內部結構是太空中最大的謎團之一。在美國宇航局戈達德太空飛行中心工作的阿祖馬尼安說：「它們是自然界允許的最高穩定密度的物質，其結構我們還不了解。」它們也是已知的最具強引力的物質形式——只要再增加一點質量，它們就會成為黑洞，而黑洞根本不是物質，而是純粹的彎曲空間。阿祖馬尼安說：「在這個臨界點上發生了什麼，是我們試圖探索的。」
關於這個臨界值發生了什麼，有幾種相互矛盾的理論。一些觀點認為，中子星實際上只是充滿了普通的中子，也許還有一些質子。其他人則提出了更奇怪的可能性。也許中子星內部的中子會進一步溶解成構成它們的粒子，稱為夸克和膠子，它們在自由流動的海洋中自由遊動。而且有可能這些恆星的內部是由更奇異的物質構成的，比如超級粒子——由更重的「奇怪夸克」表親組成，而不是普通的「上夸克」和「下夸克」(原子中發現的那種)組成的奇怪粒子。
除了切開一顆中子星並觀察它的內部，沒有一種簡單的方法知道這些理論中哪一個是正確的。但是科學家們正在取得進展。地面實驗探測到了引力波——由大質量物體加速產生的時空波動——它看起來像是兩顆中子星的正面碰撞。這些波攜帶著撞擊前恆星的質量和大小的信息，科學家們利用這些信息對所有中子星的性質和可能的成分設置了新的限制。
線索也來自中子星內部成分探測器，這是2017年6月在國際空間站開始的一項實驗觀測脈衝星，這是一種高磁性、高速旋轉的中子星，能發射出光束。當這些光束經過地球時，我們看到脈衝星每秒閃爍700多次。通過這些實驗和其他實驗，了解中子星內部物質的前景最終看起來是可能的。如果科學家們能做到這一點，他們不僅能掌握宇宙的一種奇特現象，而且還能掌握物質和引力的基本極限。
超流體的海洋
中子星是在超新星大災難中形成的，當恆星耗盡燃料並停止在其核心產生能量時，就會發生超新星「大災難」。突然間，引力沒有了阻力，它像活塞一樣猛烈地撞擊恆星，將外層吹走，並粉碎了核心，而在恆星生命的這個階段，核心主要是鐵。重力是如此之強，以至於幾乎可以把原子壓碎，把原子核內的電子推到它們與質子融合產生中子為止。聖路易斯華盛頓大學的物理學家Mark Alford說：「鐵在每個方向被壓縮了10萬倍。」「原子的直徑從十分之一納米變成只有幾飛米寬的中子團。「這就像把恆星縮小到一個城市街區的大小。(飛米計是納米的百萬分之一，而納米本身就是一米的十億分之一。)當恆星坍縮結束時，每一個質子約含有20個中子。石溪大學的天文學家James Lattimer說，它很像一個巨大的原子核，但有一個重要的區別。拉蒂默說：「原子核是通過核相互作用而結合在一起的。」「中子星是由引力結合在一起的。」
1934年，天文學家沃爾特·巴德和弗裡茨·茲威基提出中子星的概念，以回答超新星之後可能會留下什麼。超新星是他們同時創造的一個術語，指的是在天空中發現的超亮爆炸。英國物理學家詹姆斯·查德威克發現中子才兩年。起初，一些科學家對這種極端的天體是否存在持懷疑態度，直到喬斯林·貝爾·伯內爾和她的同事在1967年觀測到脈衝星——在接下來的一年裡，研究人員確定它們一定是在旋轉中子星——這個想法才被廣泛接受。
物理學家認為中子星的質量大約是太陽質量的一倍到2.5倍，它們可能至少由三層組成。外層是一個由氫和氦組成的氣體「大氣層」，厚幾釐米到幾米。它漂浮在一公裡深的外層「地殼」上，地殼由排列成晶體結構的原子核構成，原子核之間有電子和中子。第三層，構成恆星主體的內層，有點神秘。在這裡，原子核被緊緊地塞在原子核物理定律所允許的範圍內，它們之間沒有分離。當你向核心靠近時，每個原子核都擁有更多的中子。在某一時刻，原子核不能包含更多的中子，所以它們溢出來：現在沒有原子核了，只有核子(即中子或質子)。最終在最內層的核心，這些物質也會分解。阿爾福德說：「我們處於一種假設的狀態，我們不知道在這種瘋狂的壓力和密度下會發生什麼。」「我們認為可能發生的情況是，中子實際上被壓在一起，它們重疊得太厲害，你不能再把它說成是中子流體，而是夸克流體。」
這種液體的形式是一個懸而未決的問題。一種可能性是夸克形成了一種「超流體」，它沒有粘性，一旦開始運動，理論上就永遠不會停止運動。這種奇怪的物質狀態是可能的，因為夸克對其他夸克有親近感，如果它們被推得足夠近，就能形成束縛的「庫珀對」。「夸克本身就是費米子——一種自旋量子力學值為半個整數的粒子。當兩個夸克配對在一起時，它們就像一個單獨的玻色子——一個自旋等於零或一個或另一個整數的粒子。在這種變化之後，粒子遵循新的規則。費米子受泡利不相容原理的約束，即沒有兩個相同的費米子可以佔據相同的狀態——但玻色子沒有這樣的限制。當它們是費米子時，在擁擠的中子星中，夸克被迫以更高的能量疊加在一起。然而，作為玻色子，它們可以保持在最低可能的能量狀態(任何粒子的首選位置)，並且仍然擠在一起。當它們這樣做時，夸克對就形成了超流體。
在核心最密集的部分之外，中子很可能完好無損，中子也可以成對形成超流體。事實上，科學家相當肯定恆星外殼中的中子會這樣做。證據來自對脈衝星「故障」的觀察，在這些「故障」中，一顆旋轉的中子星快速加速。理論學家認為，當恆星作為一個整體的旋轉速度與地殼內部超流體的旋轉不同步時，就會發生這些小故障。總的來說，恆星的自轉自然會隨著時間而變慢；而沒有摩擦的超流體則沒有。當這些速率之間的差異過大時，超流體將角動量傳遞給地殼。「就像地震一樣，」拉蒂默說。「你會打嗝，爆發出能量，自旋頻率會在短時間內增加，然後再次穩定下來。」
2011年，拉蒂默和他的同事們表示，他們也在中子星的核心發現了超流體存在的證據，但他承認，這仍有待商榷。為了找到證據，由墨西哥國立自治大學的丹尼·佩奇(Dany Page)領導的拉蒂默團隊對仙后座A的x射線觀測進行了15年的研究。仙后座A是17世紀首次在地球上出現的超新星殘骸。科學家們發現星雲中心的脈衝星冷卻的速度比傳統理論認為的要快。一種解釋是，恆星內部的許多中子正在成對形成超流體。這些對偶斷裂並重新形成，釋放出中微子，導致中子星失去能量並冷卻下來。「但是你看，有一顆恆星的年齡和我們看到這個是一樣的。再過50年左右，布丁就會證明這一點，那時它應該會開始冷卻得更慢，因為一旦超流體形成，就不會再有多餘的能量流失了。」
奇怪的夸克
超流體只是中子星神秘門後等待的奇異可能性之一。也有可能它們是稀有的「奇怪夸克」的家園。
夸克有六種，即向上、向下、魅力、奇異、頂部和底部。只有最輕的兩種物質，上下都存在於原子中。其他的是如此的巨大和不穩定，以至於它們通常只作為高能粒子碰撞產生的短暫碎片出現在原子加速器中，比如日內瓦附近歐洲核子研究中心的大型強子對撞機。但在中子星密度極高的內部，中子內部的上下夸克有時會轉變成奇怪的夸克。(其他不同尋常的夸克——魅力夸克、上夸克和下夸克——是如此之大，以至於它們很可能不會在那裡形成。)如果奇怪的夸克出現並繼續與其他夸克結合，它們就會產生被稱為超子的突變中子。也有可能這些夸克根本不包含在粒子中——它們可能在一種夸克湯中自由漫步。
每一種可能性都應該以可測量的方式改變中子星的大小。用阿祖馬尼安的話來說，核心內完好無損的中子會「像彈珠一樣，形成堅硬的固體核心」。「固態內核會推動外層，增大整個恆星的體積。另一方面，如果中子溶解在夸克和膠子的混合物中，它們會變成「更軟、更軟、更小的恆星」，他說。Arzoumanian首席調查員和科學領導更好的實驗，旨在確定哪一個選擇是真的：?好嗎？ s關鍵目標是測量(中子星？)質量和半徑，將幫助我們挑選或排除某些理論密度問題。
更好的是安裝在國際空間站外部的洗衣機大小的盒子。它穩定地監測著散布在天空中的幾十顆脈衝星，探測其中的x射線光子。通過測量光子的時間和能量，以及恆星的引力場如何彎曲它們的光，better讓科學家計算出一組脈衝星的質量和半徑，並對它們進行比較。「如果better發現的恆星質量大致相同，但半徑卻大不相同，這就意味著發生了一些有趣的事情，」阿爾福德說，「一些新形式的物質，當它出現時，會讓恆星收縮。」例如，當中子分裂成夸克和膠子時，就會發生這樣的轉變。
測量中子星的大小是縮小中子星內部物質可能形態範圍的有用方法。科學家們曾經認為，任何給定中子星中的一半中子都會變成含有奇怪夸克的超子。理論計算表明，這種富含超子的恆星不能超過太陽質量的1.5倍。然而，在2010年，由國家射電天文觀測臺的Paul Demorest領導的天文學家以1.97太陽質量測量了一顆中子星的質量，消除了許多關於中子星內部的理論。現在物理學家估計，超子不能佔中子星的10％以上。
坍縮現場偵探
研究單個中子星能告訴我們很多，但當其中兩顆撞擊在一起時，我們能學到更多。多年來，望遠鏡已經探測到被稱為伽馬射線爆發的光爆炸，研究人員懷疑這些光爆炸來自兩顆中子星的碰撞。在2017年8月的引力波探測中，天文學家發現了第一顆被證實的中子星合併。
具體地說，2017年8月17日兩個實驗中雷射幹涉引力波天文臺，或LIGO和處女座同時檢測到兩個中子星引力產生漣漪螺旋向對方和合併形成一個中子星或黑洞。這並不是第一次探測到引力波，但之前所有的觀測都是由兩個黑洞的碰撞造成的。在此之前，科學家從未觀測過來自中子恆星的波，這也是望遠鏡第一次對引力波探測做出反應，同時看到來自天空同一地點的光。光和波一起提供了大量關於撞擊發生地點和方式的信息，這對中子星物理學來說是一個福音。「我當時大吃一驚，」拉蒂默談到這一幸運的發現時說。「我覺得這太好了，簡直難以置信。」
天體物理學家將這些波追溯到一對距離地球約1.3億光年的中子星。這些波的頻率、強度以及它們隨時間變化的模式等細節，讓研究人員得以估計，每一波約有1.4個太陽質量，在撞擊前半徑在11至12公裡之間。這些知識將幫助科學家們形成一個理解中子星的基本描述符——它們的狀態方程。該方程描述了物質在不同壓力和溫度下的密度，適用於宇宙中的所有中子星。理論學家們已經提出了幾種可能的狀態方程的公式，這些公式與中子星內部物質的不同構型相對應，而新的測量結果提供了一個排除某些情況的機會。
例如，中子星半徑相對較小的發現令人驚訝。一些理論遇到了困難，當他們試圖把這些緻密中子星和已知的重恆星(如1.97倍太陽質量的龐然大物)都納入同一個基本狀態方程時。加州州立大學富勒頓分校的天體物理學家、LIGO極端物質小組的共同領導人喬斯林·裡德說：「它開始讓我們的狀態方程在這些不同的觀測中穿針穿線。」「試圖製造緻密恆星，以及支持大質量恆星，對這一理論將是一個挑戰。這絕對很有趣，而且可能會變得更有趣。」
到目前為止，LIGO和室女座只看到了這一次中子星碰撞，但任何時候都有可能出現另一次這樣的觀測。裡德說：「我在這個領域工作的時間已經夠長了，能從一個假設的時代走出來真是太棒了。如果我們能看到引力波，那麼我們也許就能做到這一點。」現在我們真的有機會這麼做了，而且它還沒有過時。」
物質的極限
隨著引力波探測器靈敏度的提高，最終的回報將是巨大的。例如，對中子星內部情況的一項測試包括尋找中子星內部任何旋轉液體所發出的引力波。如果液體的粘度非常低，或者沒有粘性(作為超流體)，它可能會開始以一種叫做r模式的模式流動，釋放引力波。「這些引力波將比合併時弱得多，」阿爾福德說。「這是物質在靜靜地晃動，而不是被撕裂。阿爾福德和他的同事們斷定，目前正在運行的先進的LIGO探測器將無法看到這些波，但未來對LIGO的升級，以及計劃中的天文臺，如歐洲正在考慮的地基愛因斯坦望遠鏡，可能會看到。
破解中子星的案例將給我們提供一幅物質在其難以理解的極限處的圖景——一種遠離構成我們世界的原子的形式，它拓展了可能性的邊界。它可能會將夸克物質、超流體中子和奇異的超子恆星等想像中的奇葩變成現實。理解中子星可以做更多的事情：物理學家更深層次的目標是利用這些被壓扁的恆星來解決更大的開放性問題，比如控制核相互作用的定律——質子、中子、夸克和膠子之間複雜的舞蹈——以及最大的謎團——引力的本質。
中子星只是研究核力的一種方式，世界各地的粒子加速器也在同時進行工作，它們就像顯微鏡一樣，可以窺視原子核內部。當更多的核問題被確定下來後，科學家們可以把注意力轉向重力。「中子星是引力物理學和核物理的混合物，」麻省理工學院的物理學家Or Hen說。「現在我們正在用中子星作為實驗室來理解核物理。但是因為我們在地球上可以接觸到原子核，我們最終應該能夠很好地限制問題的核方面。然後我們就可以用中子星來理解重力，這是物理學中最大的挑戰之一。」
通過愛因斯坦的廣義相對論，引力目前被理解為與量子力學理論格格不入。最終，其中一種理論必須改變，而物理學家不知道會是哪一種。「我們會到達那裡，」母雞說，「這是一個非常令人興奮的前景。」