由馬克斯·普朗克引力物理研究所，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦研究所（AEI）科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組，最新獲得了關(guān)于中子星有多大的新測(cè)量結(jié)果。為此，科學(xué)家將對(duì)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(cè)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(huì)被整個(gè)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(cè)到的，但它們?cè)陔姶殴庾V中是看不見(jiàn)的。研究的主要作者、阿爾伯特·愛(ài)因斯坦研究所研究員科林·卡帕諾說(shuō)：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(cè)宇宙中密度最大的物質(zhì)。事實(shí)上，它們是如此的致密和體積微?。?/span>
以至于可以把整個(gè)中子星想象成一個(gè)單原子核，放大到一座城市的大小。通過(guò)測(cè)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(ài)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(shuō)：我們發(fā)現(xiàn)，典型中子星質(zhì)量大約是太陽(yáng)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(gè)因素，也更加精確！
天體物理寶庫(kù)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(yáng)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(yáng)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(shí)驗(yàn)室都不可能創(chuàng)造出這樣的條件。
（上圖所示）一顆典型半徑為11公里的中子星大約相當(dāng)于一座中型城市的大小。圖片：NASA's Goddard Space Flight Center
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(gè)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?yàn)樗梢愿嗟亓私鈽O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(guò)來(lái)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(gè)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(zhǎng)度尺度小于萬(wàn)億分之一毫米的理論計(jì)算，可以與對(duì)超過(guò)1億光年的天體物理對(duì)象觀測(cè)進(jìn)行比較。這有點(diǎn)令人難以置信，GW170817是由1.2億年前兩個(gè)城市大小的天體相撞引起，當(dāng)時(shí)恐龍正在地球上行走，從那以后，科學(xué)家對(duì)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(cè)了中子星一整套可能的狀態(tài)方程，這些方程直接來(lái)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(cè)的成員：
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(duì)中子星大小的最嚴(yán)格限制。
未來(lái)的引力波和多信使觀測(cè)
研究的合著者、阿爾伯特·愛(ài)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?yàn)槲覀兡軌驑O大地完善中子星半徑的測(cè)量，還因?yàn)樗o了我們一個(gè)窗口，讓我們了解中子星在合并雙星過(guò)程中的最終命運(yùn)。新的結(jié)果意味著：有了像GW170817這樣的事件，處于設(shè)計(jì)靈敏度的LIGO和室女座引力波探測(cè)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(gè)黑洞的合并。
對(duì)于GW170817來(lái)說(shuō)，電磁光譜中的觀測(cè)，對(duì)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(duì)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(cè)將很難將此類事件與雙星黑洞區(qū)分開(kāi)來(lái)，合并后的電磁譜和引力波觀測(cè)將是區(qū)分它們的關(guān)鍵。然而，事實(shí)證明，新研究結(jié)果也暗示了混合雙星合并的多信使觀測(cè)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(huì)被黑洞撕裂被我們觀測(cè)到，而是會(huì)被整個(gè)吞噬。
光明的未來(lái)在前方
只有當(dāng)黑洞非常小或旋轉(zhuǎn)很快時(shí)，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(lái)的十年里，現(xiàn)有引力波探測(cè)器將變得更加靈敏，更多的探測(cè)器將開(kāi)始觀測(cè)。研究小組預(yù)計(jì)會(huì)有更多非常“響亮”的引力波被探測(cè)到，并可能從合并的雙星中子星中觀測(cè)到更多多信使信號(hào)。這些合并中的每一次，都將提供極好的機(jī)會(huì)來(lái)了解更多關(guān)于中子星和核物理的知識(shí)。
博科園｜研究/來(lái)自：馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)、阿爾伯特·愛(ài)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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