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簡介：中子星是恒星演化到末期，經(jīng)重力崩潰后形成的除黑洞以外密度最大的物體。可以通過在太空中觀測中子星，觀察X射線的發(fā)射來推斷其半徑，從而推斷出其內(nèi)部物質(zhì)。

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一顆恒星在超新星內(nèi)部死亡，完全就是一次災(zāi)難性的事件。它留下一個密度大得難以想象的物體，叫做中子星。但是中子星里面到底是什么樣的呢？

圖注：藝術(shù)創(chuàng)作。在異星上遙望中子星。圖源：cosmosmagazine

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我們能接觸到的一切都是由原子構(gòu)成的。被稱為質(zhì)子和中子的亞原子粒子構(gòu)成了原子核，電子圍繞著它們運行。但在這個原子能級上，即使是我們世界上密度最大的物質(zhì)，比如黃金、鉛和鈾，其結(jié)構(gòu)中也主要是由空曠的空間所占據(jù)。

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與整個原子的大小相比，它們的原子核非常非常小，測量到電子的軌道。

現(xiàn)在想象一下，使勁兒擠壓一塊黃金、鈾或鉛，以至于原子核全都靠近接觸到一起了，然后你再來估算剩余的空間。你得到的東西密度驚人，類似于一個巨大的原子核。中子星就是這樣的。能夠做到這種擠壓程度的唯一力量只有重力。

中子星形成于恒星生命末期，此時的恒星不再有足夠的燃料來防止自己崩塌。一般來說，核心持續(xù)收縮，直到原子核劇烈地融合并相互接觸。這時，產(chǎn)生一個反彈，整個核心反沖，并推開外層，這樣就產(chǎn)生了一個輝煌耀眼的超新星。剩下的，只有一個快速旋轉(zhuǎn)的煤渣核心—這是除黑洞以外，你能得到的密度最大的東西。它的密度如此之高，一茶匙這種物質(zhì)，在地球上的重量就會有約10億噸。

圖注：脈沖星的示意圖。中間的球體代表中子星，曲線表示磁場線，凸出的圓錐體代表發(fā)射區(qū)。圖源：Wikipedia

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物質(zhì)在如此高的密度下是如何表現(xiàn)的呢？每個原子的原子核是分開的嗎？原子會變成一個質(zhì)子、中子和電子的混合物，相互糾纏、無法區(qū)分嗎？會更進一步嗎？質(zhì)子和電子會合并在一起，我們最終得到一鍋中子嗎？它們會變成一大份夸克和膠子組成的湯嗎？或者還有別的什么？

圖注：正常狀態(tài)下的原子結(jié)構(gòu)可以做成模型。高密度狀態(tài)下原子結(jié)構(gòu)的狀況不為人知。圖源：GettyImages

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基本上，核物理界并不知道在這種密度下會發(fā)生什么事。這個問題可以歸結(jié)為一個叫做“f”態(tài)的方程，這是一個描述物質(zhì)在一個基本層面上的性質(zhì)的術(shù)語，它與密度和壓力有關(guān)。

如果恒星有一個硬核--一個固定的狀態(tài)方程式--你就會有一個更大的恒星，半徑更大。如果你有一個非固定的狀態(tài)方程式，中子放棄它們的應(yīng)有狀態(tài)，形成一份夸克湯，你就會有一個柔軟的、粘糊糊的核心和更小的半徑。所以，如果我們能測量出恒星的半徑，我們就會知道它的內(nèi)部構(gòu)成是怎樣的。但我們不能直接測量。人們認為這些恒星的半徑只在10-15公里之間--相當(dāng)于一座城市的大小--遠遠小于哈勃望遠鏡能夠觀測并成像的范圍。所以測量必須以間接的方式進行。

我們認為，最好的方法是通過觀察X射線的輻射來推斷半徑；要做到這一點，我們必須從太空觀察中子星。當(dāng)中子星像宇宙燈塔一樣，把發(fā)光的磁極轉(zhuǎn)向我們時，它們會迅速閃光，這就是脈沖星

圖注：開普勒超新星殘骸SN 1604的多波長X射線、紅外線和光學(xué)合成圖像。圖源：美國宇航局

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通過精確的測量，我們將能夠了解，中子星是如何通過這些脈沖的形狀來扭曲時空的。那么漲跌的幅度有多大？有殘留的光芒嗎？這些特征攜帶了關(guān)于恒星的更多信息，并使我們能夠確定幾顆中子星的質(zhì)量和半徑，從而推斷出其內(nèi)部的情況。

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作者: Tim Trott

FY: 大恐龍龍

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