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诞生于巨大恒星死亡之时的 “中子星”到底有多大?

来源:中国生态环境网

北京时间 10 月 15 日消息,据国外媒体报道,中子星大概是宇宙中最奇特的天体之一。它们诞生于巨大恒星死亡之时,既拥有极强的引力,又有着极高的温度和密度,远远超过我们在实验室中创造出的任何物质。

尽管我们认识中子星已有大半个世纪了,但天体物理学家仍不清楚它们究竟有多大。中子星存在两个未解之谜:其中央究竟是什么?它们的体积可以增长到多大

我们知道,中子星的体积相对来说比较小。据研究人员估测,一颗质量约为太阳 1.4 倍的中子星的半径介于 8 至 16 公里之间。而相比之下,太阳的半径约为 69.6 万公里。

用我们的望远镜看去,就连普通的恒星也太过渺小、不过是个光点而已。因此,想直接测量中子星的体积是不可能的。

不过,天体物理学家非常擅长开展间接测量。在当前研究中,他们将多种电磁观测(以光为基础)手段、以及实验室分析和理论模型结合在一起。虽然测算出的半径范围较大(就好像说人类的身高介于 1.2 米至 2.4 米之间一样),但对中子星结构的所有测算结果和理论推测都落在了这一范围之内。

但天体物理学家还能更进一步吗?答案也许是肯定的,因为现在有了更多研究工具作为助力:比如引力波天文台 LIGO 和 Virgo、以及中子星内部成分探测器(NICER)。其中,NICER 是一台位于国际空间站上的 X 射线观测仪,专用于研究中子星的结构。

“我们将引力波观测和电磁波观测结合在了一起,运用了多种差别巨大的技术。”阿姆斯特丹大学中子星天体物理学家、NICER 项目的参与者安娜 · 沃茨(Anna Watts),“这是一个非常有意思的领域。”

中子星的 “心态”

在今年年初发表的一项研究中,研究人员将针对相撞的双中子星系统 GW170817(最早于 GW170817 观测到)进行的引力波观测和电磁波观测及核物理技术进行了整合。该研究发现,一颗质量相当于太阳 1.4 倍的中子星的半径介于 10.4 至 11.9 公里之间。与之前的估算结果相比,这已经是个很大的改进了。

GW170817 发出的电磁辐射来自一颗 “千新星”,即中子星合并时核反应产生的高能光线。天文学家利用望远镜,在从伽马射线到射电光线的各个电磁谱段上对千新星展开了分析。每一次观测都为我们提供了关于 GW170817 的不同方面的信息。

“两颗中子星合并时,在合并之前会喷发出大量物质,这与它们相撞后会形成什么天体有关。”马克斯 · 普拉克引力物理研究所天体物理学家斯蒂芬妮 ·M· 布朗(Stephanie M。Brown)指出。根据喷射出的物质释放出的光线、引力波特征、以及核物理计算结果,布朗和合作研究者们计算出的半径与其它独立测算结果均一致。

由于中子星太过复杂,我们必须掌握大量数据才行。根据目前对中子星的了解,当一颗大型恒星变成超新星时,其内核会在引力作用下发生坍缩,其中的物质被急剧压缩,直到原子核被压成一堆核粒子的混合物。这些粒子主要是中子,不过也可能有质子、甚至夸克。

“中子星可能有多种不同的组成,不同的粒子间作用力,你可以针对这些提出各式各样的有趣理论。”沃茨指出,“你可以对不同的中子星采用多种观测方法、运用多种不同的观测技术,对这些理论进行交叉验证。”

中子星内部的密度和压力会随着深度不断增加,由此可以划分为两个或更多分区,类似于地球的地幔和熔融内核。对内部状态的数学描述叫做 “状态方程”,它将质量与半径联系在了一起,可以确定中子星的最大质量是多少。

天体物理学家还没有得出完整的状态方程,不过也并不是一无所知。中子星的大小完全由引力和核力决定,而太阳这样的普通恒星的大小则会在一生之中不断变化。正常情况下,中子星都是完美的球形,否则在旋转时就会释放出可探测到的引力波。不过,在 GW170817 这类碰撞发生时,两颗中子星之间的强大引力便会将它们拉得变形。这种现象叫做潮汐变形,也是一种由状态方程决定的性质。

虽然在实验室中无法重现中子星内部的超大密度和压力,但天体物理学家可以从低密度核实验中推演出相关核粒子之间的相互作用。再加上强有力的理论工具——手称有效场模型,这些实验结果成功确定了状态方程的边界条件。

“你要先观察到双中子星系统形成的引力波,然后利用贝叶斯参数估计法得出中子星的半径、质量、自转情况、以及潮汐变形情况。”布朗指出。

利用这种方法,便得到了给定质量的情况下、对中子星半径最精确的估算结果。

NICER 一展身手

在科学研究中,光凭一套系统得出结论是远远不够的。但到目前为止,大自然尚未为我们提供第二次既产生了引力波、又释放了千新星信号的中子星相撞事件。

好在,NICER 探测器并不需要中子星发生相撞、甚至不需要双中子星系统。它可以测量到中子星系统发出的 X 射线波动和谱线,包括快速旋转的脉冲星,它会产生密集的光束,用望远镜看去,就好像规律的闪光一样。

这些闪光可能是物质落到中子星表面时产生的,这或许可以为我们提供与中子星半径相关的信息。闪光还可能出现在距离较远、暂时不会相撞的双星系统中,比如首次向世人揭示引力波存在的 Hulse-Taylor 双脉冲星等等。

NICER 对 GW170817 的探测结果与布朗团队的研究结论并不是完全相符。由于 NICER 的数据存在不确定性,这不是个大问题,但布朗和沃茨均认为,最好再深入研究一下造成差异的原因。

“如果 NICER 的结果与我们的相一致,那就太好了。”布朗指出。她认为,这两项研究之间的差异就类似于对宇宙膨胀速度的测算,后者在宇宙学界也是众说纷纭。

与此同时,沃茨怀疑这些差异可能与对千新星的观测有关。倒不是说这些观测是错的,而是可能存在某种未知的系统性问题,即对模型偏差的理解不同,这可能会影响我们对原始数据的分析,进而影响我们从复杂系统中提炼出的测量结果。

“你必须非常小心,因为你最终推断出的东西可能并不是你一开始提出的东西。”沃茨表示,“最终,如果你想把各种不同的测量结果汇总在一起,就需要充分了解状态方程的性质。”

NICER 探测器的任务才刚开始不久。沃茨和布朗都会持续留意是否有新结果问世。

有趣的是,天文学家在 2020 年 6 月刚刚宣布了一个引力波系统,该系统既可能使问题变得更加复杂、又可能帮我们弄清一些事情。这个名叫 GW190814 的系统由一个黑洞、以及一个质量为太阳 2.6 倍的未知天体构成。质量这么轻的天体不大可能是个黑洞,而针对千新星的研究又显示,中子星不会长到这么大。不过沃茨指出,根据目前的 NICER 探测结果,质量为太阳 2.6 倍的中子星是有可能存在的。这样一来,GW190814 系统的问题就迎刃而解了。

无论最终真相如何,天体物理学家已经在测量极小天体这件事上取得了巨大的进步。这都要归功于他们采用的多信使、跨专业研究手段。如果我们能通过 NICER 和引力波获得更多观测结果,中子星的大小和组成之谜也许终有解开之日。

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