死亡恒星的遗骸内部潜藏着一个谜团。中子星，是某些类型的恒星在超新星爆发中死亡时形成的，是宇宙中密度最高的物质形态；黑洞是唯一密度更高的东西，但它们已经完全超出了正常物理学的范畴，不再是物质。中子星中的原子被引力挤压得如此紧密，以至于它们已经分解，内部的质子和电子挤压在一起形成中子，留下的物体只有小城市的大小，却包含着比太阳还大的质量。中子星质量的约 95% 是纯中子，但物理学家想知道在密度达到顶峰的中心会发生什么。中子会进一步分解成构成它们的夸克和胶子吗？一些夸克会从正常的“上”味和“下”味转变成在普通物质中找不到的更奇怪和更重的“奇异夸克”吗？这些粒子会形成一种被称为超流体的极端物质状态，它会毫无粘滞地晃动，永不减速吗？
科学家们通过研究当两颗中子星相互碰撞并变成黑洞时产生的光和引力波，在理解这些奇异天体的内部运作方面迈进了一步。引力波是当大质量物体移动时在时空中刻出的褶皱。科学家们直到 2015 年才获得探测引力波的能力，并且迄今为止只发现了少数涉及中子星的事件（其他事件是黑洞的碰撞）。但是，研究这些波的特性——它们的频率以及它们如何随时间变化——可以告诉科学家们很多关于产生它们的物体的信息。物理学家寻求精确测量中子星的质量和半径，这将有助于揭示它们的“状态方程”——这些恒星内部压力和密度之间的关系。了解中子星的状态方程反过来会表明它们内部隐藏着什么样的物质。
在一项新的研究中，一个国际研究团队将两次中子星碰撞的引力波测量结果，以及其中一次碰撞随之而来的光信号（另一次是暗的），与来自观测快速旋转的中子星（称为脉冲星）的中子星质量和半径的估计值相结合。“最大的优势在于它是一个非常连贯的画面，”德国波茨坦大学的研究成员蒂姆·迪特里希说，他是一篇报告结果的论文的合著者，该论文今天发表在《科学》杂志上。“我们结合了我们目前知道的所有信息，包括引力波和电磁波、来自单颗中子星的信息以及来自核物理学的理论计算。”他们推导出的状态方程预测，质量为太阳 1.4 倍的中子星的半径约为 11.75 公里，误差为正负 0.81 至 0.86 公里。这比曼哈顿长度的一半还多一点。“中子星的大小直接取决于核心内部物质的行为，因此这使我们更好地了解中子星物质的特性，”迪特里希说。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
例如，如果中子在这些恒星的核心中保持完整，它们将向外推挤外层，可能导致半径略微增大。另一方面，如果中子分解成夸克汤，核心会更柔软，整个恒星会稍微下沉，从而导致半径更小。
新的测量结果与早期研究普遍一致，这些研究考察了引力波数据和其他测量中子星大小的方法。“这篇论文是对先前研究的良好联合重新分析，并没有改变过去几年一直存在的总体印象，即中子星的半径约为 11 至 13 公里，”圣路易斯华盛顿大学的物理学家马克·阿尔福德说。阿姆斯特丹大学的天体物理学家安娜·瓦茨说，这种类型的综合分析“显然是前进的方向”，但没有一项测量结果“足够好到真正确定致密物质的性质”。该领域将需要等待未来的数据才能真正了解中子星内部发生的事情。
“我认为这是一项非常好的分析，”石溪大学的物理学家詹姆斯·拉蒂默说，他没有参与这项研究。他警告说，在模拟不同可能的状态方程与数据的拟合程度时，该团队可能错误地排除了太多产生半径较大的中子星的方程。“我认为他们低估了他们的不确定性。但在某种意义上，这只是一个意见问题，以及你对不同统计方法的信心有多大。”
除了揭示中子星的秘密外，该研究还产生了哈勃常数的测量值，它反映了宇宙的膨胀速度。为了推导出常数，科学家们使用来自一次碰撞的引力波的振幅来估计碰撞发生的距离。然后，他们将他们的距离测量值与碰撞宿主星系的已知速度进行了比较，该速度是通过观察星系的红移来测量的——即星系的光向光谱的红色端滑动了多少。他们发现的哈勃常数为每秒每百万秒差距 66.2 公里，这不足以在已经存在的相互竞争的测量值之间做出决定，但为宇宙膨胀速度这个备受争议的问题增加了另一个数据点。
科学家们希望将相同类型的分析应用于未来出现的中子星碰撞。“我们迈出了第一步，现在我们将继续前进，”巴黎大学的团队成员莎拉·安蒂尔说，她是一位天文学家，负责寻找伴随引力波事件的光信号。“我的任务是连接不同的天文台，以提供一个网络，以便在引力波探测器发现新信号时立即进行观测。”
物理学家们正在等待下一代引力波探测器上线，例如美国的宇宙探测器和欧洲的爱因斯坦望远镜，它们将于 2030 年代投入使用。这些机器应该更加灵敏，使它们能够捕获更多来自更多事件的信号，并提供更高精度的数据。未来的项目，例如增强型 X 射线定时和偏振测量任务 (eXTP) 和 雅典娜 X 射线天文台，也应该收集更精确的脉冲星测量数据。
自从引力波数据可用以来，科学家们在短时间内学到了很多东西，未来有望极大地扩展我们对高压下极端物质的了解。“过去的四年是 remarkable 的，”拉蒂默说。“它显示了我们未来将获得的潜力。我们应该从引力波事件中获得更多的测量结果，并且随着我们添加每个新事件，结果将趋于一致。”