德國(guó)歌德大學(xué)的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的物理模型，他們利用新的物理模型重新測(cè)算了中子星的大小，引力波的觀測(cè)數(shù)據(jù)被注入到了模型的約束條件，幫助天體物理學(xué)家設(shè)定了中子星尺寸的上限值，比過(guò)去的此類(lèi)估算更為精確。中子星是宇宙中質(zhì)量極為致密的天體，質(zhì)量相當(dāng)于我們的太陽(yáng)，但中子星的尺寸相當(dāng)于全球一個(gè)主要城市的大小。天體物理學(xué)家對(duì)一個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生了困惑，中子星的外形是像一個(gè)條帶狀的洛杉磯，還是像一個(gè)緊湊的舊金山？中子星的精確外形一直在科學(xué)家的估算能力之外。

歌德大學(xué)的研究人員引入了引力波的觀測(cè)數(shù)據(jù)，科學(xué)家檢測(cè)了兩個(gè)中子星的合并事件，天文學(xué)家將合并的中子星標(biāo)記為GW170817。大質(zhì)量的中子星被壓縮在極小的體積內(nèi)，一旦超過(guò)了中子星的物質(zhì)密度，它們將繼續(xù)塌縮為一個(gè)宇宙的“王者”——黑洞。研究人員利用中子星質(zhì)量的臨界點(diǎn)限定了中子星大小的范圍。歌德大學(xué)位于德國(guó)的法蘭克福，《物理學(xué)評(píng)論通訊》雜志近日發(fā)表了歌德大學(xué)理論物理研究所的一項(xiàng)研究成果，研究人員通過(guò)新的模型和參數(shù)計(jì)算了中子星的大小，它們的直徑在12公里至13.5公里之間或在7.4英里至8.4英里之間。

由于存在兩種不同的解決方案，在計(jì)算中子星的大小時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)不同的結(jié)果。更加致密的中子星發(fā)生了機(jī)制不明的相變，有可能出現(xiàn)超致密性的中子星，這類(lèi)中子星的尺寸變得更小。中子星有時(shí)也被稱(chēng)為脈沖星，它們是大質(zhì)量的老年恒星毀滅后的遺骸，這類(lèi)恒星到達(dá)了生命周期的最后階段，以發(fā)生劇烈爆發(fā)的方式走向死亡，在死亡恒星的中心留下了一顆體積極為狹小的中子星。當(dāng)恒星的質(zhì)量達(dá)到了相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的10到30倍時(shí)，它們?cè)谒劳鲞^(guò)程中將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐活w中子星。科學(xué)家過(guò)去一直認(rèn)為，中子星的直徑大約為20公里，在極其狹小的體積內(nèi)塞入了一顆質(zhì)量大于太陽(yáng)的中子星，它們的物質(zhì)密度大大超過(guò)了普通的天體。

西班牙的加泰羅尼亞技術(shù)大學(xué)(UPC) 和加拉利群島的天體物理研究所 (IAC) 組成了聯(lián)合的科學(xué)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員精確地測(cè)量了一顆中子星的質(zhì)量，它是一顆迄今為止被認(rèn)為是質(zhì)量最大的一顆中子星，天文學(xué)家將它標(biāo)記為 PSR J2215+5135，這顆中子星的質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的2.3倍。2011年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這顆創(chuàng)造了質(zhì)量“吉尼斯紀(jì)錄”的中子星。到目前為止，總共發(fā)現(xiàn)了2000多顆中子星，天文學(xué)家在2011年發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量最大的中子星，當(dāng)時(shí)測(cè)量的中子星的質(zhì)量為太陽(yáng)的2.4倍，而在2010年和2013年公布的這顆中子星的質(zhì)量為太陽(yáng)的2倍。

聯(lián)合科學(xué)團(tuán)隊(duì)的成員使用了加拉利亞斯大望遠(yuǎn)鏡 (GTC),的觀測(cè)數(shù)據(jù)，這是世界上最大的光學(xué)和紅外線望遠(yuǎn)鏡之一，他們使用了威廉·赫歇爾望遠(yuǎn)鏡 (WHT)、伊薩克·牛頓望遠(yuǎn)鏡組 (ING) 和 IAC-80望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)，應(yīng)用了雙星系的動(dòng)力學(xué)模型，《天體物理學(xué)》雜志發(fā)表了聯(lián)合科學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)最大中子星質(zhì)量的計(jì)算結(jié)果。中子星PSR J2215+5135是雙星系中的一顆，它和伴隨的恒星圍繞它們的質(zhì)量中心旋轉(zhuǎn)，一顆正常運(yùn)行的伴隨恒星受到了中子星強(qiáng)烈的輻射。主中子星的質(zhì)量越大，伴隨的恒星在軌道上的旋轉(zhuǎn)速度越快。

天文團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用了氫原子和鎂原子的光譜線，測(cè)量了伴隨性恒星的旋轉(zhuǎn)速度，團(tuán)隊(duì)成員第一次測(cè)量了伴隨恒星的“雙面速度”，當(dāng)恒星的一面受到中子星的輻射時(shí)，在恒星的背面形成了陰蔽，研究人員利用伴隨恒星的旋轉(zhuǎn)速度計(jì)算了中子星的質(zhì)量，精確的計(jì)算結(jié)果顯示，這顆中子星的質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的2倍多。天文團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了在一個(gè)緊湊的雙星系中測(cè)量一顆中子星質(zhì)量的方法，測(cè)算的結(jié)果比過(guò)去的更為精確。聯(lián)合天文團(tuán)隊(duì)采用的方法同樣適用于其它的雙中子星系。

在過(guò)去的10年，費(fèi)米—LAT和美航局的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)與 PSR J2215+5135相似的脈沖星，天文團(tuán)隊(duì)采用的方法在原則上適用于對(duì)黑洞和白矮星質(zhì)量的測(cè)量，黑洞、白矮星和中子星都是大質(zhì)量的死亡恒星留下的遺物，它們同樣存在于和中子星相似的雙星系之中。大于太陽(yáng)質(zhì)量30倍的死亡恒星將會(huì)形成黑洞，小于太陽(yáng)質(zhì)量10倍的死亡恒星將會(huì)形成白矮星。對(duì)于天體物理學(xué)的很多研究領(lǐng)域而言，確定中子星的質(zhì)量十分重要，對(duì)天體物理學(xué)和原子核物理學(xué)有同樣的科學(xué)價(jià)值。

中子和質(zhì)子構(gòu)成了原子和原子內(nèi)的原子核，質(zhì)子和中子或核子的相互作用發(fā)生在中子星內(nèi)物質(zhì)密度非常高的環(huán)境中，這是今日物理學(xué)最大的神秘性之一。中子星好似一個(gè)天然的物理實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家在中子星的環(huán)境中研究了超越人們想象的極為致密和奇異的物質(zhì)形態(tài)。西班牙聯(lián)合天文團(tuán)隊(duì)的研究成果支持了一種觀點(diǎn)，2.3倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星形成了強(qiáng)大的引力，中子星內(nèi)的物質(zhì)粒子必然有足夠大的抵御力或斥力，中子星的引力和斥力最終實(shí)現(xiàn)了平衡，這意味著人們不太可能在中子星的中心區(qū)域發(fā)現(xiàn)自由態(tài)的夸克和其它的奇異物質(zhì)態(tài)。

（編譯：2018-6-27）