由馬克斯·普朗克引力物理研究所，阿爾伯特·愛因斯坦研究所（AEI）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組，最新獲得了關(guān)于中子星有多大的新測量結(jié)果。

為此，科學(xué)家將對中子星物質(zhì)未知行為的一般第一原理描述與雙中子星合并GW170817的多信使觀測相結(jié)合，其研究成果發(fā)表在《自然天文學(xué)》期刊上，比之前的約束嚴(yán)格了兩倍，典型的中子星半徑接近11千米。

研究還發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，與黑洞合并的中子星可能會被整個吞噬，除非黑洞很小或旋轉(zhuǎn)很快。這意味著，雖然這種合并可能作為引力波源是可以觀測到的，但它們在電磁光譜中是看不見的。研究的主要作者、阿爾伯特·愛因斯坦研究所研究員科林·卡帕諾說：雙星中子星合并是信息的金礦！除黑洞外，中子星包含可觀測宇宙中密度最大的物質(zhì)。事實上，它們是如此的致密和體積微?。?/p>

以至于可以把整個中子星想象成一個單原子核，放大到一座城市的大小。通過測量這些天體的性質(zhì)，科學(xué)家了解了在亞原子水平上支配物質(zhì)的基本物理。阿爾伯特·愛因斯坦研究所、研究小組的負(fù)責(zé)人巴德里·克里希南(Badri Krishnan)說：我們發(fā)現(xiàn)，典型中子星質(zhì)量大約是太陽的1.4倍，半徑約為11千米，而新研究結(jié)果將半徑限制在10.4~11.9千米之間，這是比之前結(jié)果更嚴(yán)格的兩個因素，也更加精確！

天體物理寶庫之雙中子星合并

中子星是一種致密的超新星爆炸殘骸，中子星的大小大約相當(dāng)于一座城市大小，其質(zhì)量范圍在1.44倍太陽質(zhì)量以上（白矮星的最大質(zhì)量極限，稱為錢德拉塞卡極限）、3.2倍太陽質(zhì)量以下（中子星的最大質(zhì)量極限，稱為奧本海默極限）。這種中子含量豐富、密度極高的物質(zhì)行為尚不清楚，在地球上的任何實驗室都不可能創(chuàng)造出這樣的條件。

物理學(xué)家們提出了各種模型（狀態(tài)方程），但尚不清楚這些模型中有哪些（如果有的話）能正確描述自然界中的中子星物質(zhì)。雙中子星的合并：例如2017年8月在引力波和整個電磁譜中觀察到的GW170817，是最令人興奮的天體物理事件之一。因為它可以更多地了解極端條件下的物質(zhì)和潛在的核物理，由此，科學(xué)家可以反過來確定中子星的物理屬性，如它們的半徑和質(zhì)量。

研究小組使用了一個基于第一原理描述的模型，該模型描述了亞原子粒子如何在中子星內(nèi)發(fā)現(xiàn)的高密度下相互作用。值得注意的是：長度尺度小于萬億分之一毫米的理論計算，可以與對超過1億光年的天體物理對象觀測進行比較。這有點令人難以置信，GW170817是由1.2億年前兩個城市大小的天體相撞引起，當(dāng)時恐龍正在地球上行走，從那以后，科學(xué)家對亞原子物理有了更多的洞察。

中子星有多大？

科學(xué)家使用第一原理描述預(yù)測了中子星一整套可能的狀態(tài)方程，這些方程直接來自核物理。從這整套中，研究人員選擇了最有可能解釋不同天體物理觀測的成員：

1）這與來自公共LIGO和Virgo引力波天文臺數(shù)據(jù)的GW170817引力波觀測結(jié)果一致；

2）作為合并的結(jié)果，它們產(chǎn)生了一顆短壽命的超大質(zhì)量中子星；

3）這與GW170817電磁波段對應(yīng)觀測對中子星最大質(zhì)量的已知約束一致；

這不僅使研究人員獲得了關(guān)于致密物質(zhì)物理的可靠信息，而且還獲得了迄今為止對中子星大小的最嚴(yán)格限制。

未來的引力波和多信使觀測

研究的合著者、阿爾伯特·愛因斯坦研究所的博士生斯蒂芬妮·布朗(Stephanie Brown)表示：這些結(jié)果令人興奮，不僅因為我們能夠極大地完善中子星半徑的測量，還因為它給了我們一個窗口，讓我們了解中子星在合并雙星過程中的最終命運。新的結(jié)果意味著：有了像GW170817這樣的事件，處于設(shè)計靈敏度的LIGO和室女座引力波探測器將能夠很容易地從引力波中區(qū)分出是兩顆中子星還是兩個黑洞的合并。

對于GW170817來說，電磁光譜中的觀測，對于做出這樣的區(qū)分是至關(guān)重要的。研究小組還發(fā)現(xiàn)，對于混合雙星（一顆與黑洞合并的中子星），僅靠引力波合并觀測將很難將此類事件與雙星黑洞區(qū)分開來，合并后的電磁譜和引力波觀測將是區(qū)分它們的關(guān)鍵。然而，事實證明，新研究結(jié)果也暗示了混合雙星合并的多信使觀測不太可能發(fā)生。研究已經(jīng)證明，在幾乎所有的情況下，中子星都不會被黑洞撕裂被我們觀測到，而是會被整個吞噬。

光明的未來在前方

只有當(dāng)黑洞非常小或旋轉(zhuǎn)很快時，它才能在吞噬中子星之前破壞它；只有這樣，才能預(yù)期看到引力波以外的任何東西。在接下來的十年里，現(xiàn)有引力波探測器將變得更加靈敏，更多的探測器將開始觀測。研究小組預(yù)計會有更多非?！绊懥痢钡囊Σū惶綔y到，并可能從合并的雙星中子星中觀測到更多多信使信號。這些合并中的每一次，都將提供極好的機會來了解更多關(guān)于中子星和核物理的知識。

博科園｜研究/來自：馬克斯·普朗克學(xué)會、阿爾伯特·愛因斯坦研究所

參考期刊《自然天文學(xué)》

DOI: 10.1038/s41550-020-1014-6

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