天体物理学百科，物理 天体

从旋转的中子星（脉冲星）发出的X 射线。 （图片来源：NASA戈达德太空飞行中心概念图像实验室）

中子星是宇宙中最神秘的天体之一，其内部结构也充满悬念，有理论认为中子星的内部是夸克的海洋。中子星探测项目最近发表的初步结果却得出了相反的结论……

在人类对宇宙的理解中，中子星是一种独特的天体。它们是由超新星爆炸产生的，有城市大小，但质量与恒星相同。科学家们长期以来相信中子星内部会发生一些极端的物理过程，中子甚至可以分裂成称为夸克的粘性物质。然而，由于我们无法窥视中子星的内部，因此我们必须依靠质量和大小等可测量的特性来推断其内部成分。由于中子星的引力，夸克应该比中子更容易压缩。因此，如果中子星内部充满夸克，那么它的质量越大，它的直径应该越小。但新的问题出现了。对于天文学家来说，测量数千光年外一个城市大小的物体的直径是很困难的。法国国家科学研究中心理论物理学家米凯拉·赫特尔曾表示，成功测量中子星的质量和大小将是“中子星物理研究的圣杯”。 2017年，美国宇航局研制的中子星内部成分探测器（NICER）被送往国际空间站，这台X射线望远镜正在尝试探测中子星的各种特性。 2019年，中子星J0030经测量直径约为26公里，质量是太阳的1.4倍，距离地球1000光年。

NICER研究示意图（图片来源：NASA戈达德太空飞行中心）

两个团队最近使用NICER 数据独立分析了距离地球3000 光年的另一颗中子星J0740。两队计算出的直径基本相同：分别为24.8公里和27.4公里。该研究于5 月初发布在预印本网站arxiv.org 上，但尚未经过同行评审。这个结果令人震惊。要知道J0740的质量是太阳的2.1倍，使其成为已知最重的中子星。它比J0030 重约50%，但两者直径大致相同。这一发现表明中子星很奇怪，但还没有奇怪到排除中子。佛罗里达州立大学的理论物理学家豪尔赫·皮卡列维奇说：“这可能表明中子星的核心不存在奇异物质。”

中子星的相变当一颗质量约为太阳8到20倍的巨大恒星烧毁时，没有向外的压力来抵抗恒星的引力，因此行星开始塌陷并爆炸，其外壳它被扔了出去，只留下了它致密的核心，它迅速缩小到曼哈顿大小的物体，即中子星。中子星的核心位于离子和电子的薄壳之下。在原子核中，质子和电子挤压在一起形成中子海。但穿过这些致密的物质后，当我们接近中心时，更令人难以置信的事情可能会发生。科尔·米勒(Cole Miller) 是马里兰大学的天体物理学家，也是确定中子星J0740 大小的研究的主要作者。 “独立的中子和质子并不存在，但存在着由比中子和质子更小的夸克组成的海洋。然而，它们诞生的条件仍然笼罩在神秘之中。”到目前为止，几个模型预测中子星具有足够重的质量中子和质子可以产生巨大的密度，并将中子和质子分裂成更小的—— 个夸克。也许质量是太阳2.1倍的J0740可以做到这一点。阿姆斯特丹大学天体物理学家安娜·瓦茨说，随着中子星的内部结构经历从正常物质到相对“可压缩”夸克物质的相变，“半径应该变得更小”。其他模型的预测则相反。即使相变过程确实发生，它也只会发生在中子星坍缩成黑洞的临界质量附近。 （确切的临界点尚不清楚，但通常认为它是太阳质量的三倍。）“问题是，如果奇异物质以高密度形成，那么这种转变何时开始？”瓦茨说。

瓦茨表示，如果像J0740 这样的中子星经历了这种相变并包含更多“可压缩”夸克，那么它的直径将达到9 至16 公里。但米勒表示，即使考虑到误差，研究人员仍确定了一个相当可靠的最小直径：22 公里。研究表明，中子星一旦超过2.1个太阳质量就可能形成夸克，也可能永远不会形成。相反，即使在最极端的情况下，质子和中子也可以继续存在于中子星内部。 “看起来最粘的模型肯定会被排除在外，”瓦茨说。

由于中子星本身的行为，旋转星点NICER 成功测量了中子星的半径。 —— 当中子星快速旋转时，它会形成表面热点（类似于地球的磁极，但比后者强得多）。它随中子星旋转并发射X 射线。由于中子星具有很强的引力，从恒星背面发出的X射线会弯曲并到达我们这里。 NICER可以精确测量这些X射线的到达时间，帮助科学家重建光年之外的中子星的大小。其他研究也支持NICER 的发现。弗吉尼亚州杰斐逊实验室的铅半径实验（PREx）用电子束轰击铅，结果表明中子“皮肤”（即铅原子内中子占据的空间量）大于铅原子的空间。发现。质子“皮肤”。这种差异表明中子星的直径应该比之前的预测大2 公里。 PREx 成员Piekarevich 表示：“这与NICER 的结论完全一致。”他的研究结果发表在《物理评论快报》 上。 NICER 的结论还为时尚早，需要进一步验证。第三颗中子星的半径也正在测量中，其结果将对证明NICER目前的结论正确与否发挥重要作用。美国宇航局戈达德太空飞行中心NICER 项目科学主任扎文·阿佐曼尼安(Zaven Arzomanian) 表示：“我们希望在今年晚些时候公布中子星的直径，也许还有其他信息。从我们的结果来看，即使是最密集的中子星也不会能够发表。”宇宙的“密度”不足以产生奇异物质。 “这是反驳中子星核心发生剧烈相变这一假设的第一个强有力的证据。如果这个过程没有发生在中子星中，它会发生在其他地方吗？”皮卡列维奇说。 “不幸的是，事实并非如此，”皮卡列维奇说。撰稿| Jonathan O'Callaghan 翻译| 杨楠审稿| 吴斐原文链接：https://www.quantamagazine.org/squishy-neutron-star-setback-dampens-hopes-of-exotic-matter-20210526 /