旋轉的中子星（脈衝(chong) 星）釋放的X射線，可以用於(yu) 探測中子星的直徑。（圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab）

撰文 | 喬(qiao) 納森·奧卡拉漢（Jonathan O'Callaghan）

翻譯 | 楊楠

審校 | 吳非

在人類對宇宙的認知範疇裏，中子星是一類獨特的天體(ti) 。它們(men) 源於(yu) 超新星爆發，體(ti) 積僅(jin) 有一座城市大小，質量卻與(yu) 恒星相當。一直以來，科學家們(men) 都相信中子星內(nei) 部有一些極端的物理學過程發生，甚至中子可能會(hui) 分裂成一種叫做誇克的黏軟物質。

然而，由於(yu) 無法窺測中子星內(nei) 部，我們(men) 必須依靠一些可測量的特征，比如質量和尺寸，來推斷其內(nei) 部組成。在中子星引力的作用下，誇克應該比中子更易被壓縮。所以如果中子星內(nei) 部充滿誇克，那麽(me) 質量越大，它的直徑應該會(hui) 更小。

但新的問題出現了：要測量遠在數千光年之外，但隻有城市大小的天體(ti) 的直徑，對於(yu) 天文學家來說絕非易事。法國國家科學研究中心的理論物理學家米凱拉·奧爾特爾（Micaela Oertel）曾說，成功測量中子星的質量和大小將是“中子星物理學研究的聖杯”。

2017年，NASA研發的中子星內(nei) 部組成探測器（NICER）被送往國際空間站，這台X射線望遠鏡試圖探測中子星的諸多性質。2019年，它測量到一顆質量為(wei) 太陽1.4倍、距離地球1000光年的中子星J0030的直徑約26千米。

NICER工作示意圖（圖片來源：NASA's Goddard Space Flight Center）

最近，有兩(liang) 個(ge) 團隊利用NICER的數據，分別對距離地球3000光年的另一顆中子星J0740獨立展開了分析。兩(liang) 個(ge) 團隊算出的直徑基本一致，分別為(wei) 24.8千米和27.4千米。研究已於(yu) 5月初發布於(yu) 預印本網站arxiv.org，但尚未進行同行評審。這一結果令人震驚，要知道，J0740的質量是太陽的2.1倍，是已知質量最大的中子星，比J0030還重50%左右，但兩(liang) 者的直徑卻幾乎一致。

這一發現說明中子星雖然奇特，但還不至於(yu) 奇特到消滅了中子。佛羅裏達州立大學的理論物理學家豪爾赫·皮耶卡雷維奇（Jorge Piekarewicz）說：“這可能表明在中子星的核心，不至於(yu) 出現奇異物質。”

中子星的相變

當一個(ge) 質量約為(wei) 太陽8~20倍的巨大恒星燃燒殆盡時，由於(yu) 沒有向外的壓力來對抗恒星引力，這顆星球開始坍縮並爆炸，外殼向外拋散，隻留下致密的核心快速收縮成和曼哈頓差不多大小的天體(ti) ，也就是中子星。

中子星的核心位於(yu) 由離子和電子構成的薄殼下方。在核心部分，質子和電子被緊緊擠壓融合成一體(ti) ，形成一個(ge) 中子海洋。然而，穿過這些致密物質之後，在更接近中心的地方，可能有更匪夷所思的事情發生。科爾·米勒（Cole Miller）是馬裏蘭(lan) 大學的天體(ti) 物理學家，也是測定中子星J0740大小的研究中的主要作者。他說：“那裏不是獨立的中子和質子，而是比中子和質子還小的誇克組成的海洋。但它們(men) 的誕生條件還是個(ge) 謎。”

截至目前，有一些模型預測，質量足夠大的中子星就能產(chan) 生巨大的密度，導致中子和質子被分裂成更小的誇克——或許2.1倍太陽質量的J0740就能做到這一點。阿姆斯特丹大學的天體(ti) 物理學家安娜·瓦茨（Anna Watts）說，由於(yu) 中子星內(nei) 部結構經曆了由常規物質到相對“可擠壓”的誇克物質的相變，“半徑應該變小”。

另一些模型的預測則恰好相反：即使相變過程真的存在，它也隻有在接近中子星坍縮成黑洞的臨(lin) 界質量時才會(hui) 發生。（具體(ti) 的臨(lin) 界點尚不明確，但通常認為(wei) 是3倍太陽質量。）瓦茨說：“問題是，如果在高密度下會(hui) 有奇異物質形成，那這個(ge) 轉變是從(cong) 什麽(me) 時候開始的？”

瓦茨說，如果像J0740這樣的中子星經曆過這種相變階段，而且含有更多“可擠壓”的誇克，它的直徑應為(wei) 9~16千米。但米勒表示，即使在考慮誤差的情況下，研究人員已經確定了一個(ge) 相當可信的最小直徑：22千米。

根據這項研究，中子星或許會(hui) 在超過2.1倍太陽質量的某個(ge) 時間點形成誇克，或者可能永遠不會(hui) 形成。相反，即使是在最極端的情況下，質子和中子也可能繼續存在於(yu) 中子星內(nei) 部。瓦茨說：“看來最黏軟的模型肯定要被排除在外了。”

旋轉的星斑

NICER能成功測出中子星半徑，要歸功於(yu) 中子星本身的行為(wei) ——當中子星快速旋轉時，表麵熱斑（類似於(yu) 地球磁極，但強度遠超後者）隨著中子星一起旋轉，並發出X射線。由於(yu) 中子星的強大引力，即使是恒星遠端發出的X射線也會(hui) 彎曲並傳(chuan) 播到我們(men) 這裏。NICER可以精確測量這些X射線的到達時間，從(cong) 而幫助科學家在光年之外重現中子星的大小。

另一項研究也為(wei) NICER的發現提供了支持。在弗吉尼亞(ya) 州傑斐遜（Jefferson）實驗室開展的鉛半徑實驗（PREx）將一束電子發射到鉛中，並發現中子“皮膚”（也就是在鉛原子中，中子占據的空間大小）大於(yu) 質子“皮膚”。這一差異表明中子星直徑應比先前預測的大至多2千米。PREx成員皮耶卡雷維奇說：“這與(yu) NICER的結論完全一致。”該研究結果發表在《物理評論快報》上。

NICER的結論尚處於(yu) 早期階段，因為(wei) 還需要進一步核查。第三顆中子星的半徑也正在測算過程中，其結果將對證明NICER現階段結論的對錯起到重大作用。NASA戈達德太空飛行中心的NICER項目科學負責人紮文·阿祖馬尼安（Zaven Arzoumanian）說：“我們(men) 希望今年晚些時候能公布這顆中子星的直徑，或許還會(hui) 有一些其他信息。”

但就目前的結果來看，即使是宇宙中最致密的中子星都不至於(yu) “致密”到產(chan) 生奇異物質。皮耶卡雷維奇說：“這是反對‘中子星核心發生劇烈相變’這一假說的第一個(ge) 有力證據。”如果這個(ge) 過程在中子星中都不會(hui) 發生，它還會(hui) 在其他地方發生嗎？“恐怕不會(hui) 。”皮耶卡雷維奇表示。

原文鏈接：

https://www.quantamagazine.org/squishy-neutron-star-setback-dampens-hopes-of-exotic-matter-20210526/


關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站
回複【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情