中澳科学家联手探寻中子星“体重密码”

◎本报记者 宗诗涵

中子星的直径仅为20多千米，切面相当于北京四环内区域大小，但其重量却是地球的几十万倍。如果从中子星上挖“一勺土”，那么它的重量可能有上亿吨。中子星为何这么重？它究竟由什么物质构成？这些是天文学家一直在探索的问题。

日前，北京师范大学引力波团队与澳大利亚研究基金会引力波发现卓越中心等单位合作，在中子星初生质量的研究中取得重要进展，相关论文发表于国际期刊《自然·天文学》。

超新星研究的突破口

当一颗质量为太阳八倍至几十倍的恒星核燃料耗尽时，会向核心坍缩，物质被急剧压缩，直至到达极限后触底反弹，产生超新星爆发，并可能遗留下中子星这一致密残骸。

“早在宋朝，天文学家就观测到了一次罕见的超新星爆发。后来，天文学家发现蟹状星云中的脉冲星正是那次爆发后留下的中子星。”论文作者之一、北京师范大学文理学院研究员朱兴江介绍，迄今为止，天文学家已通过射电望远镜等手段发现了4000多颗脉冲星，这些一般都被认为是中子星。

关于中子星，一直有诸多未解之谜。朱兴江说，一是内部物质状态不明。中子星内部密度极高，温度、压力均处于极端状态，其内部具体的物理性质仍不清楚。二是磁场机制未明。核坍缩后，中子星磁场强度激增，但其磁场生成、放大以及随时间衰减的机制尚未明晰。三是致密天体质量范围未知。超新星爆发残留的可能是中子星或黑洞，如何从质量上清晰界定这些不同的天体仍是天文学界的重大挑战。

“中子星作为超新星爆发后留下的致密天体，其初生质量信息对于反推其前身恒星质量具有重要意义。”朱兴江说，由于直接捕捉前身恒星信息极为困难，研究中子星初生质量成为推动超新星理论研究的重要突破口。

发现质量分布新规律

“目前已测定质量的中子星大多源自双星系统，即这些中子星拥有一个伴星，类似于地球拥有月球。”论文作者之一、河南省科学院引力波天文研究所副研究员尤志强介绍，中子星的强大引力会撕裂伴星的部分物质，这些物质随后如同被漩涡裹挟一般，被中子星迅速吸入，从而导致中子星质量增加，这一过程被称为吸积。

如何估算因吸积而增加的质量，是研究中子星初生质量的一大挑战。“吸积过程极为复杂，可能持续数百万年，并与中子星及其伴星的特性有关。确定吸积何时停止，是解决质量增加这个难题的关键。”论文作者之一、北京师范大学文理学院讲师刘小金说。

刘小金介绍，目前国内外学者主要将研究集中于直接观测到的中子星质量分布上，而对中子星的初生质量关注较少，仅有少数研究对个别脉冲星进行了吸积修正分析。总体而言，缺乏全面统计并扣除吸积效应后的中子星初生质量分布研究。这正是团队近年来努力的方向。

早在2019年，团队研究人员就开始探索中子星的质量分布。他们基于银河系双中子星的观测数据，判断吸积和非吸积中子星遵循不同的质量模型。

研究的突破源自对另一个问题的探索。2022年，在研究中子星转动速率时，团队研究人员发现，当中子星质量增加时，其转动速率也会变快，但最快转动速率不能超过理论上限。利用中子星转动速率与质量之间的关系模型，研究人员估算出中子星可能增加的质量，其与通过经验分析得出的结果相吻合，这为他们增添了信心。最终，他们发现了吸积加速的理论上限，并据此推断增加的质量最多可占总质量的两成。为审慎起见，他们还考察了更多质量分布的可能性。

解决这些问题后，团队发现中子星的质量分布规律与以往的认识大相径庭，可能颠覆既有观念。以往研究认为，中子星依据质量可分为重型与轻型两类。但该团队的最新研究表明，中子星质量分布可能仅存在一个峰值，并且在1.3至2.4倍太阳质量之间按幂律平滑变化，这一规律与恒星的质量分布趋势相似。

更多谜题有待解开

研究团队还推测，大质量中子星较少的原因可能是其前身恒星更易直接坍缩为黑洞，而不是形成中子星。“这与观测结果相吻合，天文学家在超新星前身恒星中鲜少观测到大质量红超巨星。”尤志强解释，红超巨星是恒星演化到晚期的一种形态，如果大质量红超巨星在超新星爆发后更容易直接坍缩成黑洞，那么在观测中自然就很难看到它们作为中子星的前身存在。

“研究不仅为探索中子星内部致密物质形态提供了宝贵观测证据，也为理解中子星的形成机制开辟了新视角，有望帮助我们揭示超新星爆发机制，乃至揭开黑洞形成的神秘面纱。”刘小金说。

银河系的中子星总数约有10亿颗，但目前被观测到的仅有4000多颗，其中质量被测定的不足百颗。这些有限的数据难以全面反映中子星的整体特性。因此，发现更多中子星或脉冲星并测定其质量显得尤为重要。

“尽管我们已经发现了一些规律，但这仅仅是‘冰山一角’，还有更多谜题等待我们研究。”尤志强说。

研究中子星质量的一个重要目的在于探究其内部物质形态。“这种物质形态可能是一种全新形式，超越我们已有认知。理论学家认为，中子星内部可能是纯中子，也可能混有超子或者夸克，但要获得最终的答案还需要更深入的研究。”朱兴江说。