奇异的中子星核心

当一颗巨大的恒星在超新星中死亡时，爆炸仅仅是终结的开始。大部分恒星物质被抛向四面八方，但恒星富含铁的核心仍然留下。这个核心包含相当于两个太阳的质量，并迅速收缩成一个可以跨越曼哈顿长度的球体。巨大的内部压力——足以将珠穆朗玛峰压缩成方糖大小——将亚原子质子和电子融合为中子。

天文学家对中子星的诞生过程了解很多。然而，之后在这些超高密度核心内部究竟发生了什么，仍然是个谜。一些研究人员推测，中子可能一直占据主导地位直至中心。另一些人则假设，难以置信的压力将物质压缩成更奇异的粒子或状态，这些粒子或状态会以不寻常的方式挤压和变形。

现在，经过数十年的推测，研究人员正越来越接近解开这个谜团，部分归功于国际空间站上名为中子星内部成分探测器 (NICER) 的仪器。

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去年 12 月，美国宇航局的这座太空天文台为天文学家提供了迄今为止对中子星质量和半径最精确的一些测量，以及关于其磁场的意外发现。NICER 团队计划在未来几个月内发布更多关于其他恒星的结果。引力波天文台也正在传来其他数据，这些天文台可以观察中子星在碰撞时如何扭曲。通过这些综合观测，研究人员有望确定中子星内部的物质构成。

对于该领域的许多人来说，这些结果标志着宇宙中最令人费解的天体之一的研究迎来转折点。“中子星物理学正开始进入黄金时代，”德国法兰克福歌德大学的理论物理学家于尔根·沙夫纳-比利奇说。

NICER 望远镜于 2017 年搭乘 SpaceX 猎鹰 9 号火箭发射升空，耗资 6200 万美元，位于空间站外部，收集来自脉冲星的 X 射线——脉冲星是自旋中子星，以巨大的柱状辐射带电粒子和能量，像灯塔的光束一样扫过四周。X 射线起源于脉冲星表面数百万度的高温热点，强大的磁场从外部剥离带电粒子，并将它们猛烈地撞回相对的磁极。

NICER 使用 56 个镀金望远镜探测这些 X 射线，并以 100 纳秒的精度为它们到达的时间加盖时间戳。凭借这种能力，研究人员可以精确跟踪中子星每秒高达 1000 次的旋转速度的热点。当热点扫过物体时，它们是可见的。但是中子星对时空的扭曲非常强烈，以至于 NICER 还可以探测到来自背对地球的热点的光。爱因斯坦的广义相对论提供了一种通过光线弯曲量来计算恒星质量半径比的方法。这些和其他观测结果使天体物理学家能够确定已故恒星的质量和半径。这两个属性可能有助于确定核心内部正在发生什么。

深入、黑暗的谜团

中子星越深入内部就越复杂。在主要由氢和氦组成的稀薄大气层之下，人们认为恒星遗骸拥有仅一两厘米厚的外部地壳，其中包含原子核和自由移动的电子。研究人员认为，在下一层，电离元素变得紧密堆积在一起，在内部地壳中形成晶格。更深处，压力非常大，几乎所有质子都与电子结合变成中子，但除此之外发生的事情充其量是模糊不清的。

“了解成分是一回事，”加州州立大学富勒顿分校的天体物理学家乔斯林·里德说，“了解配方，以及这些成分将如何相互作用，又是另一回事。”

物理学家对正在发生的事情有一些了解，这要归功于地球上的粒子加速器。在位于纽约州厄普顿的布鲁克海文国家实验室和瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心大型强子对撞机等设施中，研究人员将铅和金等重离子撞击在一起，以产生短暂的超高密度物质集合。但这些动力学实验会产生十亿甚至万亿度的闪光，其中质子和中子会溶解成构成它们的夸克和胶子的汤。地球仪器很难探测中子星内部相对温和的数百万度条件。

关于可能发生什么，有多种想法。可能是夸克和胶子自由漫游。或者，极端能量可能导致产生称为超子的粒子。与中子一样，这些粒子包含三个夸克。但是，中子包含最基本和最低能量的夸克，称为上夸克和下夸克，而超子至少有一个被奇异的“奇”夸克取代。另一种可能性是中子星的中心是玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种物质状态，其中所有亚原子粒子都充当一个单一的量子力学实体。理论家们也设想了更离奇的前景。

至关重要的是，每种可能性都会以其特有的方式抵抗中子星巨大的引力。它们将产生不同的内部压力，因此对于给定的质量，半径会更大或更小。例如，具有玻色-爱因斯坦凝聚态中心的中子星可能比由中子等普通物质制成的中子星具有更小的半径。核心由柔韧的超子物质制成的中子星可能具有更小的半径。

“粒子的类型以及它们之间的力会影响材料的柔软或可压缩程度，”阿姆斯特丹大学 NICER 团队成员安娜·沃茨说。

区分这些模型将需要精确测量中子星的大小和质量，但研究人员尚未能够将他们的技术推到足够精细的水平，以说明哪种可能性最大。他们通常通过观察双星系统中的中子星来估计质量。当物体相互绕行时，它们会在引力上相互拉扯，天文学家可以使用它来确定它们的质量。大约 35 颗恒星以这种方式测量了质量，尽管这些数字可能包含高达一个太阳质量的误差条。仅仅十几颗左右的恒星也计算出了半径，但在许多情况下，这些技术无法将该值确定到优于几公里的精度——高达中子星大小的五分之一。

欧洲航天局的 XMM-牛顿 X 射线天文台于 1999 年发射，至今仍在运行，它也使用了 NICER 的热点方法。NICER 的灵敏度是 XMM-牛顿的四倍，时间分辨率高出数百倍。在未来两到三年内，该团队预计能够使用 NICER 计算出另外六个目标天体的质量和半径，将其半径精确到半公里以内。凭借这种精度，该小组将能够很好地开始绘制出所谓的“中子星状态方程”，该方程将质量与半径相关联，或者等效地，将内部压力与密度相关联。

如果科学家特别幸运，并且大自然碰巧提供了特别好的数据，NICER 可能会帮助消除该方程的某些版本。但大多数物理学家认为，仅凭天文台本身，可能只会缩小范围，而不会完全排除关于神秘天体核心内部发生情况的模型。

“这仍然将是我们目前所处水平的巨大进步，”沃茨说。

磁力线

NICER 的第一个目标是 J0030+0451，一颗孤立的脉冲星，它大约每秒自旋 200 次，距离地球 337 秒差距（1,100 光年），位于双鱼座。

两个小组——一个主要设在阿姆斯特丹大学 ，另一个由位于学院公园的马里兰大学的研究人员领导——分别筛选了 850 小时的观测数据，相互进行核对。

由于热点光变曲线非常复杂，这些小组需要超级计算机来模拟各种配置，并找出哪种配置最适合数据。但两者都得出了相似的结果，发现 J0030 的质量是太阳的 1.3 或 1.4 倍，半径约为 13 公里。

这些结果并非最终结果：它们可以用来支持关于中子星内部结构的平凡或超凡脱俗的预测。“目前还没有任何奇特、疯狂或奇异的要求，”田纳西大学诺克斯维尔分校的核天体物理学家安德鲁·施泰纳说。

研究人员对关于热点的形状和位置的发现感到更加惊讶。关于中子星的经典观点是，它们的磁力线看起来像围绕条形磁铁的磁力线，南北极从恒星两端的圆形斑点中出现。相比之下，荷兰超级计算机模拟表明，J0030 的两个热点都位于其南半球，其中一个热点呈长条形和新月形。马里兰大学的团队还提出了三热点解决方案的可能性：两个南部的椭圆形热点和一个靠近旋转南极的最终圆形热点。

法国图卢兹天体物理学与行星学研究所的天体物理学家纳塔莉·韦伯曾对这种可能性进行建模，她说：“看来他们可能首次真正探测到光束不是相隔 180 度的脉冲星。” “如果这是真的，那就太棒了。”

这些结果将支持之前的观测和理论，这些观测和理论表明，中子星的磁场（比太阳的磁场强一万亿倍）可能比通常认为的更复杂。脉冲星最初形成后，人们认为它们的自转会在数百万年的时间里减慢。但是，如果它们有一颗伴星绕其运行，它们可能会从伴星那里窃取物质和角动量，从而将自转速度提高到超快速度。当物质沉积在恒星外部时，一些理论家认为这可能会影响地下中子的流体状层，产生巨大的涡流，从而将中子星的磁场扭曲成奇怪的排列。伴星最终可能会被吞噬，或者失去太多质量以至于引力解绑并飞走，现在的孤立脉冲星 J0030 可能就是这种情况。

工作正在进行中

NICER 正在继续观测 J0030，以进一步提高其半径测量的精度。与此同时，该团队开始分析来自第二个目标的数据，这是一个稍重一些的脉冲星，它有一个白矮星伴星。其他天文学家已经使用对这对星体的轨道舞动的观测来确定脉冲星的质量，这意味着 NICER 研究人员有一个独立的测量值，他们可以使用它来验证他们的发现。

在 NICER 的目标中，该团队计划至少包括几颗高质量脉冲星，包括目前质量最大的中子星的记录保持者——一个质量是太阳 2.14 倍的庞然大物。这将使研究人员能够探测上限：中子星坍缩成黑洞的点。即使是 2.14 太阳质量的天体也让理论家难以解释。一些研究人员还建议，NICER 可能能够找到两颗质量相同但半径不同的中子星。这将表明存在一个过渡点，在这个过渡点上，细微的差异会产生两个不同的核心。例如，一个可能主要包含中子，而另一个可能由更奇异的物质组成。

虽然 NICER 处于先锋地位，但它并不是唯一探测脉冲星深度的仪器。2017 年，美国激光干涉引力波天文台 (LIGO) 与意大利的 Virgo 探测器一起，接收到两颗中子星碰撞和合并的信号。当物体在碰撞前相互旋转时，它们发出的引力波包含有关恒星大小和结构的信息。每颗恒星巨大的引力影响拉扯并使其伴星变形，将两者都从球体扭曲成泪滴状。最后时刻的变形量为物理学家提供了关于中子星内部物质延展性的线索。

LIGO 在路易斯安那州利文斯顿的设施去年 4 月接收到了第二次中子星碰撞信号，并且随时可能发现更多事件。到目前为止，这两次合并仅暗示了中子星内部的特性，表明它们并非特别容易变形。但是，当前一代设施无法观察到关键的最后时刻，那时扭曲将是最大的，并且最清楚地显示内部条件。

位于日本飞騨市的神冈引力波探测器预计将于今年晚些时候上线，印度在马哈拉施特拉邦马拉特瓦达奥恩达纳加纳特附近的引力波观测倡议将于 2024 年启动。与 LIGO 和 Virgo 相结合，它们将提高灵敏度，甚至可能捕捉到碰撞前瞬间的细节。

展望未来，几个计划中的仪器可能会进行 NICER 和当前的引力波天文台无法进行的观测。一颗名为增强型 X 射线时变和偏振测量任务 (eXTP) 的中欧卫星预计将于 2027 年发射，研究孤立和双星中子星，以帮助确定它们的状态方程。研究人员还提出了一个可能在 2030 年代飞行的空间任务，称为宽带能量 X 射线光谱时间分辨天文台 (STROBE-X)。它将使用 NICER 的热点技术，以更高的精度确定至少 20 颗以上中子星的质量和半径。

中子星的核心可能永远会保留一些秘密。但物理学家现在似乎已经做好了开始剥开层层的准备。作为 LIGO 团队成员的里德表示，她曾参与一个项目，设想引力波探测器在 2030 年代和 2040 年代能够解决哪些科学问题。在此过程中，她意识到中子星研究的格局——特别是状态方程问题——到那时应该会大相径庭。

“这是一个长期存在的难题，你认为它会一直存在，”她说。“现在我们已经到了这样的地步，我可以看到科学界在本十年内解决中子星结构难题。”

本文经许可转载，最初于 2020 年 3 月 4 日发表。