在距離我們3600光年的位置上，有一顆宇宙中的極端星球，它行走在中子星和黑洞的邊緣。稍有不慎，就會(huì)坍縮成宇宙中最恐怖的天體。

已知最大的中子星

PSR J0740+6620（簡(jiǎn)稱J0740）是迄今為止科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最巨大的中子星，質(zhì)量大約是太陽(yáng)的2.1倍。即便它如此之重，但體積卻非常小，直徑只有20多公里，如果把一頭放在天安門，另一頭可能連香山公園都碰不到。

它以每秒346次的驚人速度在自轉(zhuǎn)，并且與旁邊的一顆白矮星共同組成了一個(gè)雙星系統(tǒng)。

我們知道，當(dāng)一顆恒星死亡時(shí)，如果它的核心質(zhì)量超過(guò)錢德拉塞卡極限，也就是大約1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量，那么它就會(huì)坍縮為一顆中子星。如果說(shuō)超過(guò)了奧本海默極限，那么就會(huì)變成宇宙中最恐怖的天體，那就是黑洞。

那么，這顆恐怖的天體內(nèi)部，到底有著怎樣的結(jié)構(gòu)呢？這里到底為何會(huì)有如此驚人的密度呢？

中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

早在1934年，科學(xué)家就提出了中子星的概念。從理論上講，當(dāng)一顆超新星的核心質(zhì)量超過(guò)太陽(yáng)的1.44倍，內(nèi)部的電子就無(wú)法對(duì)抗簡(jiǎn)并壓力，最終與質(zhì)子融為一體，形成了一個(gè)完全由中子構(gòu)成的天體，因此名為中子星。

即便如此，科學(xué)家們還是認(rèn)為，中子星也是有分層結(jié)構(gòu)的，而非完全是由中子構(gòu)成的。

• 在中子星的外側(cè)，同樣存在著大氣層，只不過(guò)是由氫、氦等元素構(gòu)成的。并且，由于中子星引力過(guò)于巨大，所以這個(gè)大氣層被緊緊地吸附在表面，非常薄。

• 星體的最外層是外殼（qiào），巨大的壓力導(dǎo)致電子脫離了原子核，形成了等離子體。而在內(nèi)殼中，連中子也被壓得變成了超流體狀態(tài)。

• 到了中子星的核心處，科學(xué)家們又將其分為兩部分。外核部分的壓力也非常巨大，中子和質(zhì)子分離，同時(shí)質(zhì)子也和電子合并為中子，形成為完全是中子的世界。這里的中子被恐怖的壓力擠在一起，其密度甚至是原子核的2倍，這也是導(dǎo)致中子星擁有恐怖密度的重要原因。

謎之內(nèi)核

直到這里，我們的分析似乎還挺明確的。但到了內(nèi)核，問(wèn)題就出現(xiàn)了：這是一個(gè)怎樣的世界呢？根據(jù)傳統(tǒng)的中子星模型，科學(xué)家們認(rèn)為，質(zhì)量較小的中子星，內(nèi)核處應(yīng)該同樣是大量的中子。可問(wèn)題在于，如果是像J0740這樣的巨型中子星呢？它的壓力更為巨大，是否會(huì)進(jìn)一步壓縮內(nèi)核，以至于中子都分裂了呢？

我們知道，中子是由夸克組成的。理論上來(lái)講，由于夸克禁閉的作用，我們不太可能看到單獨(dú)存在的夸克。但如果是足夠極端的條件，那么夸克也有可能游離出來(lái)，這就是所謂的夸克湯。對(duì)于科學(xué)家們來(lái)說(shuō)，中子星內(nèi)部，或許就足夠極端，但這個(gè)猜想也沒(méi)有得到證實(shí)。

問(wèn)題在于，中子星距離我們都非常遙遠(yuǎn)，而且我們也不可能撬開(kāi)它的地殼與外核，又如何知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？

其實(shí)很簡(jiǎn)單，只要我們測(cè)量出它的直徑和質(zhì)量，就能算出密度。如果它的內(nèi)核是夸克湯，那么顯然比普通中子星密度更高。如果它的密度和小型中子星一樣，那就證明它的內(nèi)核也是同樣的中子。

最近，憑借著新型觀測(cè)設(shè)備的幫助，科學(xué)家們終于破解了這個(gè)謎題。

“撬開(kāi)”中子星的外殼

為了更好地了解中子星這種天體，NASA在2017年的時(shí)候在國(guó)際空間站上安裝了一臺(tái)強(qiáng)大的觀測(cè)設(shè)備，那就是中子星內(nèi)部組成探測(cè)器（簡(jiǎn)稱NICER）。它可以對(duì)中子星的半徑、質(zhì)量、自轉(zhuǎn)、磁場(chǎng)等各個(gè)方面進(jìn)行探測(cè)，幫助科學(xué)家獲得關(guān)于中子星的重要參數(shù)，甚至是了解這種極端天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了從最大的精度上對(duì)中子星的尺寸進(jìn)行測(cè)量，NASA的科學(xué)家們選擇了中子星中特殊的一種，那就是脈沖星。脈沖星的特點(diǎn)就是可以向宇宙中發(fā)射強(qiáng)大的脈沖，并且在高速自轉(zhuǎn)的條件下，就像是宇宙中的燈塔一樣引人注意。

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論告訴我們，質(zhì)量是可以扭曲時(shí)空的。當(dāng)光線途徑被大質(zhì)量天體扭曲的時(shí)空時(shí)，就會(huì)被重新導(dǎo)向，這就是引力透鏡效應(yīng)。同樣的，脈沖星也可以起到類似的效果，而且這會(huì)導(dǎo)致我們看到的脈沖星顯得更大了。同樣質(zhì)量的天體，密度越大，扭曲的程度也越明顯，以至于脈沖星所發(fā)出來(lái)X射線都會(huì)受到影響。

此前，科學(xué)家們已經(jīng)得到了J0740的質(zhì)量數(shù)據(jù)。只要通過(guò)光線的扭曲程度計(jì)算出它的半徑，就可以知道它的密度了。

在這次研究中，一共有兩個(gè)小組利用兩種不同的方法對(duì)其直徑進(jìn)行了模擬，其中阿姆斯特丹大學(xué)的博士后研究員Thomas Riley和天體物理學(xué)教授Anna Watts的團(tuán)隊(duì)得到的結(jié)果是24.8公里左右，而馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園分校的天文學(xué)教授Cole Miller的團(tuán)隊(duì)得到的結(jié)果是27.4公里左右。雙方在不確定性范圍內(nèi)取了重疊的區(qū)間，也就是24.4-32.6公里之間。

然后，他們與此前的其他脈沖星進(jìn)行了對(duì)比。

2019年時(shí)，Riley和Miller曾經(jīng)帶領(lǐng)一支團(tuán)隊(duì)對(duì)一顆名為J0030+0451的脈沖星進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量是太陽(yáng)的1.4倍（基本是最小的脈沖星），直徑為26公里。

如今的研究發(fā)現(xiàn)，兩顆脈沖星在質(zhì)量和尺寸上的差距，不足以解釋可能存在的夸克湯狀態(tài)。

相應(yīng)的，最近的一些新理論模型，或許可以解釋中子星內(nèi)核的狀態(tài)。有科學(xué)家認(rèn)為，那里可能是中子、質(zhì)子以及夸克或新的夸克組合的粒子所雜糅在一起的復(fù)雜狀態(tài)。不過(guò)，關(guān)于中子星的內(nèi)核，仍然有待于NICER更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行支撐。同樣的，J0740未來(lái)會(huì)不會(huì)變成黑洞，也有待于進(jìn)一步的研究。

在此之前，科學(xué)家們還嘗試過(guò)通過(guò)引力波對(duì)兩顆碰撞的中子星進(jìn)行觀測(cè)和分析，來(lái)了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。盡管中子星是如此極端的天體，但科學(xué)家還是能夠找到各種方法來(lái)了解它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相信未來(lái)的一天，黑洞的秘密也將被我們知曉。