中子星物理学研究进入黄金时代

本报记者 刘 霞

中子星是宇宙间最神秘的天体之一，天文学家目前已了解其如何诞生，但其超致密内核的结构及其将上演何种剧情，仍是未解之谜。

今年6月初，芬兰科学家在最新一期《自然·物理学》杂志撰文指出，他们已经找到有力证据，证明迄今最大中子星内核存在奇异的夸克物质，将笼罩在中子星头上的“神秘面纱”又揭开了一层。

无独有偶，去年12月，美国国家航空航天局的“中子星内部成分探测器”（NICER）提供了一些有关中子星质量和半径迄今最精确测量结果，包括其磁场的数据。

中国科学院国家天文台研究员张承民对科技日报记者介绍说：“本世纪20年代后将有大批科学前沿装置投入到中子星的研究，比如美国和欧洲的引力波天文台、中国‘天眼’FAST、国际SKA射电阵列等，将中子星研究从过去的多波段时代升级到当今的多信使时代，中子星物理学的黄金时代已经到来。”

中子星密度之大超乎想象

据张承民介绍，中子星是大质量恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸后生成的质量介于白矮星和黑洞之间的星体。当一颗恒星死亡后形成致密星的质量为太阳质量1.35到2.1倍时，常会形成中子星；小于太阳质量1.35倍时，很可能形成白矮星；大于太阳质量3.2倍时，则会形成黑洞。

张承民说：“中子星是宇宙中最致密的天体之一，其密度之大超乎想象。地球直径约为12756公里，如果把地球压缩为一颗中子星，那么其直径仅为44米，由此可见其密度之大。”

中子星身上迷雾重重

天文学家认为，在引力挤压下，中子星内部的质子和电子会交融形成中子，这也是中子星得名的缘由，但这并非最终结论。

张承民解释道，天文学家从来没有近距离透视过中子星，地球试验室也无法制造出接近其密度的物质，因而，中子星身上迷雾重重。

首先，中子星内部结构一直是物理学领域的重大未解之谜。一些研究人员认为，中子星内核中心位置由中子霸占，但其他人则表示，巨大的压力会将内核物质挤压成更奇特的颗粒（胶子和夸克）。

其次，对于中子星内部上演的剧情，科学家给出了不少剧本：夸克和胶子在其间自由游弋；或者，极端能量导致名为“超子”的粒子产生，超子也由三个夸克组成，除上下夸克，至少还包含一个奇夸克；中子星中央是玻色-爱因斯坦凝聚态，在这种物质状态中，所有亚原子粒子的“行为”都像单个量子力学实体等等。但以上诸多情节都未曾获得证实。

张承民解释道：“中子星头上还蒙着不少‘神秘面纱’，例如，中子星的磁场是如何形成和演化的，观测发现毫秒脉冲星的磁场比常规脉冲星的磁场低约10000倍，其演化细节是打开中子星磁场工作的奥秘；中子星的最小磁场和最大磁场由什么条件决定？观测看到最快毫秒脉冲星的转动周期仅1.39毫秒，那么，宇宙间是否存在更快的转动？其速度如何形成？更重要的是，迄今还没有人发现脉冲星与黑洞的‘双星之舞’，它们在宇宙深处存在的比率是多少？这些也是目前中国‘天眼’FAST关注的重要科学目标之一。”

张承民指出：“中子星‘性格’独特，研究它具有重要意义。”

首先，中子星高度致密，其引力场强度比地球高约亿倍，超越了牛顿引力理论范围，需要借助爱因斯坦广义相对论来验证；其次，中子星的超强磁场也是等离子体理论在极端环境的应用场所；再次，中子星的核心致密核物质是检验各种核物理理论的天然实验室； 另外，脉冲星精准测量可用于自主导航，还可以验证爱因斯坦的引力波预言，等等。

张承民强调说：“脉冲星作为转动中子星，可进行多波段观测实验，可大力提升大科学装置的精密程度，也能为宇宙新发现提供载体。所以，脉冲星和中子星一直是各国天文学家和物理学家积极关注的热点。”

NICER欲管窥中子星

据张承民介绍，为揭示中子星的秘密，科学家发射了NICER空间探测器，主要目标是收集脉冲星（旋转中子星）发出的X射线。

《自然》杂志的报道指出，NICER观测结果和其他观测结果使天体物理学家能确定中子星的质量和半径，而这两个属性可以帮助确定中子星内核正在上演什么故事。

NICER的首个目标是编号J0030 + 0451的脉冲星，初步观测结果表明，这颗“孤独”脉冲星的质量是太阳质量的1.3或1.4倍，半径约为13公里。NICER将继续对其展开观测，进一步提高测量其半径的精度。

NICER团队希望未来两三年能使用NICER计算出另外六个目标的质量和半径，并将其半径的精度限制在0.5公里以内。在此精度下，研究人员可以验证所谓的中子星物质状态方程，该方程描述了中子星的质量与半径（或内部压力与密度）的关系。

此外，他们还计划未来至少研究几颗大质量脉冲星，包括目前最大质量中子星记录保持者——一个为太阳质量2.14倍的中子星，这将使他们探究出中子星的质量上限，即中子星坍塌成黑洞的临界点。

多管齐下拓宽对中子星认知

尽管在观测中子星方面，NICER目前一马当先，但它并非唯一内部深入探究脉冲星“内心”的设备。

2017年，美国激光干涉仪引力波天文台（LIGO）与欧洲的“室女座”（Virgo）探测器携手，观测到两颗彼此并合的中子星产生的引力波，其中包含有关中子星大小和结构的信息。无独有偶，2019年4月，LIGO观测到第二次中子星并和事件。但当前设备无法观测到并和最后一刻的情况，那时两颗中子星的扭曲最大，相关数据能清楚揭示中子星的内部情况。

《自然》杂志称，日本的“神冈”引力波探测器将于今年晚些时候投入使用；印度的引力波观测天文台也将于2024年启动，这些设施与LIGO和Virgo强强联手，将提高观测灵敏度，并有可能捕获中子星并和最后时刻的细节。

据张承民介绍，放眼未来，一些仪器设备已列入计划，它们或许可以开展NICER和目前的引力波观测站无法进行的观测活动。例如，中国和欧洲预计将于2027年发射“增强型X射线时变与偏振空间天文台”卫星，研究单独中子星及双星中子星，帮助确定它们的状态方程。另外，“宽带能量X射线光谱时间分辨天文台”将使用NICER的热点技术，以更高精度确定至少20个中子星的质量和半径，这一天文台拟于本世纪30年代发射。

张承民说：“过去科学家在光子的视线下观察中子星，以后将在各种宇宙视线下查看中子星的全景，并且探测精度也伴随电子技术、信息技术及人工智能大数据不断升级，开拓出精细与精准的中子星认知时代。”