文章介紹了一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用幾個(gè)不同望遠(yuǎn)鏡和觀測(cè)站的數(shù)據(jù)，馬克斯·普朗克引力物理研究所的成員阿爾伯特·愛因斯坦研究所(AEI)將中子星的大小估計(jì)縮小了兩倍，將中子星的半徑縮小到更精確的測(cè)量范圍。

中子星究竟有多大？就恒星物體而言，這些密度極大的，引力坍縮所形成的恒星體積卻很小。即使每一顆的質(zhì)量都等同于一整顆龐大的恒星，一座中至大規(guī)模的城市直徑也足以與他們的尺寸相提并論。

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中子星。圖源：歐南臺(tái)（ESO）/L.Cal?ada.

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多年以來，天文學(xué)家將中子星的大小鎖定在19至27千米（12至17英里）的范圍內(nèi)?？紤]到中子星的距離和特性，這個(gè)估計(jì)已經(jīng)相當(dāng)精確，但天文學(xué)家依然不懈地進(jìn)行著深入研究，意在將其縮小到更精確的測(cè)量范圍。

一個(gè)國(guó)際研究組織取得了新的進(jìn)展。通過分析從各地多臺(tái)天文望遠(yuǎn)鏡與天文臺(tái)取得的數(shù)據(jù)，馬克斯·普朗克引力物理研究所（The Max Planck Institute for Gravitational Physics，又稱阿爾伯特·愛因斯坦研究所 (AEI) ）的成員又將中子星的確切尺寸范圍縮小了兩倍。

“我們發(fā)現(xiàn)，一顆典型的中子星約比太陽(yáng)重1.4倍，而它的半徑約為11千米。” 漢諾威總部研究團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人巴德里·克里希南（Badri Krishnan）如此描述，“我們的研究結(jié)果將半徑鎖定在10.4至11.9千米之間?！?/span>

圖解 ? ? ? ?

? ? ?：雙中子星合并的概念插圖。圖中窄光束為伽馬射線爆，代表時(shí)空的網(wǎng)格上產(chǎn)生的漣漪為各向同性的引力波，這也是雙中子星合并的顯著特征。正在合并的雙星中噴出的旋動(dòng)物質(zhì)會(huì)發(fā)出一些能量較低的光線，這些光線能夠被觀測(cè)到。圖片來源：國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation)/ 激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO) /索諾瑪州立大學(xué)/ A. 西蒙內(nèi)

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這個(gè)團(tuán)隊(duì)的研究對(duì)象實(shí)際上赫赫有名：GW17087，由一對(duì)相互緊密環(huán)繞的雙中子星合并所產(chǎn)生的一個(gè)持續(xù)約100秒的引力波。它于2017年8月17日被激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）與室女座干涉儀（Virgo Interferometer）探測(cè)到。

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圖解：雙中子星合并碰撞瞬間的概念圖。圖片來源：卡內(nèi)基科學(xué)研究所

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圖解：GW170817于漢福德，利文斯頓和室女座天文臺(tái)分別測(cè)得的時(shí)頻圖。信號(hào)在兩個(gè)LIGO探測(cè)器中清晰可見，為一個(gè)正啁啾波。由于室女座干涉儀的靈敏度較低，且引力波來源方位恰巧是其盲區(qū)，因此在室女座處不可見。圖片來源：LIGO科學(xué)合作組織/室女座合作組織

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此外，費(fèi)米衛(wèi)星，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡以及世界各地的多種望遠(yuǎn)鏡和天文臺(tái)均對(duì)此天文事件進(jìn)行了無數(shù)次研究，這些觀察結(jié)果為馬克斯·普朗克團(tuán)隊(duì)提供了大量有效數(shù)據(jù)。

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? ? ?“雙中子星合并簡(jiǎn)直是挖掘關(guān)鍵數(shù)據(jù)的寶礦！” AEI漢諾威總部的研究員柯林·卡帕諾（Collin Capano）感嘆道。他是發(fā)表于《自然天文學(xué)》刊中的相關(guān)論文的主要作者。

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圖解：NASA哈勃空間望遠(yuǎn)鏡鏡頭下，此雙中子星合并后的余暉。其亮度隨時(shí)間推移逐漸黯淡。圖片來源：NASA和ESA：A. Levan（美國(guó)沃里克大學(xué)），N. Tanvir（美國(guó)萊斯特大學(xué)）以及A. Fruchter和O. Fox（美國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)）

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“在可觀察到的宇宙中，中子星含有最為致密的物質(zhì)。……通過測(cè)量這些星體的性質(zhì)，我們得以了解亞原子層面上物質(zhì)所遵從的基礎(chǔ)物理現(xiàn)象?！?/span>

當(dāng)一顆巨大的恒星演化到末期，燃料耗盡并坍縮時(shí)，就會(huì)形成中子星。恒星的最中心區(qū)域——核心，將會(huì)坍縮，把每個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子轉(zhuǎn)化為一個(gè)中子。

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? ? ?圖解：超新星爆炸。圖源：NATHAN SMITH (加州大學(xué)伯克利分校), NASA

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如果正在坍縮的恒星的核心大約在一到三個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間，那么這些新形成的中子就可以阻止繼續(xù)坍縮，最終成為一顆中子星。而質(zhì)量更大的恒星將持續(xù)坍縮，直至成為等同恒星質(zhì)量的黑洞。

但是坍縮成中子星會(huì)產(chǎn)生已知密度最大的物體，就像前文所提到的，相當(dāng)于把一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的物體壓縮到僅有城市大小。您可能已經(jīng)聽過這個(gè)著名的比較了，但它的夸張程度值得不厭其煩地重復(fù)：一塊方糖大小的中子星物質(zhì)在地球上的重量約為1萬億公斤（或10億噸），與整座穆朗瑪峰的重量大致相同。

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您也許會(huì)產(chǎn)生疑問：既然不同恒星的大小可以相差甚遠(yuǎn)，中子星的大小不也可以不同嗎？

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首先，需要澄清的是，此次研究估算出的半徑是使用1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的中子星作為前提進(jìn)行計(jì)算的。

“這是一個(gè)在文獻(xiàn)中廣泛使用的基準(zhǔn)質(zhì)量，”卡帕諾在一封電子郵件中告訴《今日宇宙》（Universe Today），“因?yàn)橛^測(cè)到的雙中子星中，幾乎所有中子星的質(zhì)量都接近該值?！?/span>

“之所以能夠使用GW170817引力波來估算1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的中子星的半徑，是因?yàn)槲覀冋J(rèn)為幾乎所有中子星都由相同的物質(zhì)組成。”

他解釋說，對(duì)于其他“常規(guī)”恒星，其質(zhì)量與半徑之間的關(guān)系取決于許多變量的影響，例如恒星核心中進(jìn)行核聚變的元素。“而中子星是如此緊湊、密集，以至于它們不會(huì)含有真正分開的原子——整個(gè)恒星基本上是一個(gè)巨大的單原子核，幾乎完全由緊密堆積在一起的中子組成。”

“正因如此，我們不能認(rèn)為中子星是由不同的元素構(gòu)成的。在這種級(jí)別的密度下，“元素”的概念失去意義，因?yàn)樵厥怯善湓雍械馁|(zhì)子數(shù)定義的?！?/span>

圖解 ? ? ? ?

? ? ?：中子星的組成。圖源： Carl Knox/OzGrav

卡帕諾說，由于所有中子都是相同的物質(zhì)（夸克，由膠子固定在一起），天文學(xué)家認(rèn)為質(zhì)量和半徑之間能夠建立通用的對(duì)應(yīng)關(guān)系，使其適用于所有中子星。因此，當(dāng)估計(jì)1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的中子星的大小時(shí)，我們實(shí)際上所做的是在形成一些或許能夠描述亞原子世界的物理定律?！?/span>

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研究團(tuán)隊(duì)在論文中也指出，他們的研究結(jié)果和過程也可以用于研究其他天體，例如脈沖星，磁星，甚至它們發(fā)出引力波的方式，提供細(xì)節(jié)幫助天文學(xué)家理解引力波產(chǎn)生的原因。

斯蒂芬妮·布朗（Stephanie Brown），論文的合著者，同時(shí)也是AEI漢諾威總部的一名博士研究生，她如此評(píng)價(jià)道：“這些結(jié)果令人興奮，不僅僅因?yàn)槲覀円呀?jīng)極大程度上將中子星半徑的測(cè)量精確化，更因?yàn)橥高^它，我們對(duì)雙中子星合并后的最終宿命有了更明確的認(rèn)識(shí)?！?/span>

作者: NANCY ATKINSON

FY: 肉桂兔包

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