中子星物理学研究进入黄金时代

中子星是宇宙中最神秘的天体之一。天文学家已经知道它是如何诞生的，但是它的超致密核心的结构和它将扮演什么样的角色仍然是个未解之谜。

今年6月初，芬兰科学家在最新一期《自然物理学》杂志上写道，他们发现了强有力的证据，证明迄今为止最大的中子星核心中存在奇怪的夸克物质，这揭开了笼罩在中子星头上的另一层“神秘面纱”。

同样，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)提供了迄今为止对中子星质量和半径最精确的测量，包括其磁场数据。

中国科学院国家天文台的研究员张成敏告诉《科学日报》:“20世纪20年代后，大量科学前沿设备将被投入到中子星的研究中，如美国和欧洲的引力波天文台、中国的“天眼”FAST和国际SKA射电阵列。中子星的研究将从过去的多波段时代升级到现在的多信使时代。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

根据张成敏的说法，中子星是质量介于白矮星和黑洞之间的恒星，演化到大质量恒星的最后阶段，是在超新星爆发后由重力坍缩产生的。当恒星死亡后形成的致密恒星的质量是太阳质量的1.35到2.1倍时，中子星通常就形成了。不到太阳质量的1.35倍，它很可能形成一颗白矮星；当它的质量是太阳的3.2倍时，就会形成一个黑洞。

张成敏说：“中子星是宇宙中密度最大的天体之一。它们的密度超乎想象。地球的直径约为12756公里。如果地球被压缩成中子星，它的直径只有44米，因此显示出它的巨大密度。”

中子星身上迷雾重重

天文学家认为中子星内部的质子和电子在重力的作用下会合并形成中子，这也是中子星得名的原因，但这并不是最终的结论。

张成敏解释说，天文学家从未近距离观察过中子星，地球实验室也无法产生接近中子星密度的物质。因此，中子星笼罩在雾中。

首先，中子星的内部结构一直是物理学领域未解之谜。一些研究人员认为中子占据了中子星核心的中心，但是其他人认为巨大的压力会将核心物质挤压成更奇异的粒子(胶子和夸克)。

其次，科学家已经给出了中子星内部的许多脚本：夸克和胶子在其中自由游动；或者，极端的能量导致一种叫做“超子”的粒子的产生，这种粒子也由三个夸克组成，除了上夸克和下夸克之外，还包括至少一个奇夸克。中子星的中心是玻色-爱因斯坦凝聚体，其中所有亚原子粒子的行为就像一个单一的量子力学实体。但上述许多情况尚未得到证实。

张成敏解释道：“中子星仍然覆盖着许多‘神秘面纱’。例如，中子星的磁场是如何形成和演化的。观测表明，毫秒脉冲星的磁场比常规脉冲星低约10000倍。它的演化细节是中子星磁场工作的秘密。什么条件决定了中子星的最小和最大磁场？观察到最快的毫秒脉冲星的旋转周期只有1.39毫秒，宇宙中还有更快的旋转吗？它的速度是如何形成的？更重要的是，还没有人发现脉冲星和黑洞之间的“双星舞蹈”。他们在宇宙深处的比例是多少？这些也是中国“天眼”FAST所关注的重要科学目标之一。"

张成敏指出：“中子星的‘特性’是独一无二的，研究它们具有重要意义。”

首先，中子星密度很高，其引力场强度大约是地球的1亿倍，这超出了牛顿的引力理论，需要由爱因斯坦的广义相对论来验证。其次，中子星的超强磁场也是等离子体理论在极端环境中的应用场所。第三，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。此外，脉冲星的精确测量可以用于自主导航，爱因斯坦的引力波预测可以得到验证等。

张成敏强调：“脉冲星作为旋转的中子星，可以进行多波段观测实验，这可以大大提高科学仪器的精度，为宇宙中的新发现提供载体。因此，脉冲星和中子星一直是全世界天文学家和物理学家积极关注的热点。”

NICER欲管窥中子星

据张成敏说，为了揭示中子星的秘密，科学家们发射了NEBEL空间探测器，其主要目的是收集脉冲星(旋转中子星)发出的X射线。

《自然》杂志的报告指出，NICER观测结果和其他观测结果使天体物理学家能够确定中子星的质量和半径，这两个属性有助于确定中子星核心中正在展开的故事。

NICER的第一个目标是脉冲星J0030 0451。初步观察显示，这颗“孤立”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将继续观察它，并进一步提高测量其半径的精度。

NETTER团队希望在未来两到三年内使用NETTER来计算其他六个目标的质量和半径，并将半径的精确度限制在0.5公里以内。有了这个精度，研究人员可以验证所谓的中子星物质状态方程，它描述了中子星的质量和半径(或内压和密度)之间的关系。

此外，他们还计划在未来研究至少几颗大质量脉冲星，包括目前最大质量中子星的记录保持者——，一颗质量是太阳质量2.14倍的中子星，这将使他们能够探索中子星的质量上限，即中子星坍缩成黑洞的临界点。

多管齐下拓宽对中子星认知

尽管NICER目前在观察中子星方面处于领先地位，但它并不是唯一能深入探测脉冲星“心脏”内部的装置。

2017年，美国激光干涉仪引力波天文台(LIGO)和欧洲的处女座探测器联合观测到了两颗相互融合的中子星产生的引力波，包括中子星的大小和结构信息。同样，LIGO在2019年4月观察到了第二次中子星合并和事件。然而，目前的设备无法在最后一刻观察到这种情况，此时两颗中子星的畸变最大，而相关数据可以清楚地揭示中子星的内部情况。

杂志《自然》说日本的“新冈”引力波探测器将在今年晚些时候投入使用。印度的引力波天文台也将于2024年发射。与LIGO和处女座一起，这些设施将提高观测灵敏度，并使捕捉中子星和最后一分钟的细节成为可能。

据张成敏介绍，展望未来，一些仪器设备已经列入计划。他们也许能够进行NEBEL和当前引力波观测站无法进行的观测活动。例如，预计中国和欧洲将于2027年发射“增强型X射线时变和极化空间观测站”卫星，研究分离的中子星和双星，以帮助确定它们的状态方程。此外，“宽带能量X射线光谱时间分辨率观测台”将使用NICER的热点技术以更高的精度确定至少20颗中子星的质量和半径。该天文台计划于20世纪30年代启动。

张成敏说：“过去，科学家在光子的视野下观察中子星。稍后，他们将在各种宇宙景象下看到中子星的全景。探测精度还伴随着电子技术、信息技术和人工智能大数据的不断升级，从而开启了一个精确而精细的中子星认知时代。”