中子星物理的黄金时代已经到来

原文作者：Adam Mann

当一颗大质量恒星在超新星爆发中消亡时，它的爆炸只不过是终末的开始。

大部分构成星体的物质都会被抛洒到遥远又广大的一片区域中，但恒星那铁质为主的核心会遗留下来。拥有两倍于太阳质量的恒星核会快速地收缩成尺寸只有曼哈顿岛那么大的一个球体。具有毁灭性力量的内部压强——足以将珠穆朗玛峰压缩到方糖大小——将把原子内的质子和电子融合成中子。

关于中子星诞生的过程，天文学家们就只知道上面那么多。在这之后，这些极其致密的核心中具体究竟发生了什么，依然是个谜。有些研究者提出理论认为，一直到星核中心为止，中子都占主导地位。其他一些假说认为，中子星里不可思议的压强会把物质压缩成更加奇异的，以不寻常的方式被挤压变形的粒子或物质态。

在几十年的猜测后，现在研究者们距离解答这个谜题更近了一步。这要部分归功于国际空间站上搭载的一台名为“中子星内部组成探测器”（NICER）的设备。

去年十二月，美国航天局的NICER给天文学家们提供了一些有史以来最精确的关于中子星质量和半径的测量结果[1,2]，以及意料之外的涉及中子星磁场的新发现[1,3]。NICER团队计划在接下来的几个月里公布有关更多恒星的结果。其他数据来自于引力波天文台，它们能观测到中子星在碰撞合并时产生的扭曲。有了这些联合观测的结果，研究者们已经摆好架势，准备直击中子星内容物这一问题的核心。

对于这一领域的许多人来说，这些结果标志着对宇宙中这些最扑朔迷离的天体的研究的一个转折点。“这是中子星物理研究的黄金时代的开始。”德国法兰克福大学的理论物理学家Jürgen Schaffner-Bielich说。 

NICER耗资6200万美元，于2017年搭载SpaceX的猎鹰9号火箭升空。它被安置在空间站的外侧，以收集来自脉冲星的X射线。脉冲星是不断自旋并发射巨大的高能射线束和带电粒子束的中子星，这些粒子束就像灯塔发射的光束一样扫过宇宙空间。X射线源自脉冲星表面的那些几百万摄氏度的热点区。在这里，强大的磁场将带电粒子由星体表面剥离，再将它们重重地砸向异性磁极。

NICER使用56台镀金望远镜探测这些X射线，并为它们打上精度在100纳秒以内的时间戳，标记到达时间。这样一来，研究者们可以在中子星高至一秒一千转的自转过程中精确地追踪表面热点。热点区在扫过观察者方向时是可见的，然而中子星对时空的强烈弯曲会让NICER也会观测到来自背对地球那侧的热点的射线。爱因斯坦的广义相对论给出了使用星体弯曲光线的程度来计算天体质量半径比的方法。这个方法以及其他的一些观测结果，允许天体物理学家们清楚地算出这些逝去恒星的质量和半径。而这两个性质可以进一步帮助我们确认中子星核心中在发生什么。

越深入研究中子星，就越觉得复杂。人们认为在主要由氢和氦构成的稀薄大气层下，这些星体残骸有一层只有约一到两厘米厚的由原子核和自由电子构成的外壳。研究者们认为接下来的一层结构是由被电离的各种元素共同组成的晶格。在此层之内，极高的压强使得几乎所有的质子都与电子结合，从而形成了中子，但对于在此之外的过程，我们的了解最多只能称得上是模糊的（参见‘致密物质’）。

“了解成分是一回事，”加州州立大学的天体物理学家Jocelyn Read说，“明白具体的组成配方和成分之间如何互作是另一回事。”

得益于地球上的粒子加速器，物理学家们对于究竟发生了什么有那么一些概念。在诸如纽约布鲁克海文国家实验室和欧洲核子研究中心的大型强子加速器这样的设施里，研究者们使重离子对撞，比如铅和金，以创造少量极为致密的物质。然而，这些动能碰撞实验会产生数十亿乃至数万亿摄氏度的高温，在这样的温度下质子和中子会融解为一团夸克和胶子汤。地球上的设备是难以探测像中子星内部相对温和的、仅有百千万摄氏度的状况。

对于中子星内部可能发生了什么，有几种不同的看法。一种可能性是夸克和胶子自由移动。又或者，极高的能量会导致名为超子的粒子产生。与中子类似，这种粒子含有三个夸克。不同的是，中子含有的是最为基础和低能量的夸克——上夸克和下夸克，而超子至少含有一个奇夸克。还有一种可能是，中子星的中心处于玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种所有的亚原子粒子都像单一量子力学实体那样行动的状态。当然，理论学者们还提出了其他更加古怪的看法。

最关键的是，每一种可能性都会以它们独特的方式来对抗中子星那巨大的引力。它们会产生各不相同的内部压强，以及对给定质量而言稍大些或稍小些的半径。比如说一个拥有玻色-爱因斯坦凝聚核心的中子星，其半径可能小于一个由中子这种常规物质构成的中子星的半径。而一个含有更为柔韧的超子核的中子星能有比上述两种情况更小一些的半径。

“粒子的种类和它们之间的作用力会影响物质具体有多软或是多黏糊。”NICER团队成员之一、阿姆斯特丹大学的Anna Watts说。

为了区分这些模型，需要对中子星的尺寸和质量进行精确测量，但是研究者们至今还没有将他们使用的技术提高到足够的精度，来分辨哪种模型具有更高的可能性。一般来说，他们通过观测双星组合中的中子星来估测星体质量。

当天体互相公转时，它们的引力会拖动对方。天文学家们可以利用这一点来估算天体的质量。大概有35颗星体的质量是这样测量出来的，虽然这些数值常常有一个太阳质量那么大的误差。仅有12颗左右的中子星的半径被估算出来。但很多情况下，估算半径的方法精度只能达到几千米这个数量级——这已经有中子星尺寸的五分之一之多。

NICER使用的热点区方法过去也曾被欧洲航天局的XMM-牛顿X射线望远镜使用过，后者发射于1999年，目前仍在运行中。NICER的敏感度是XMM-牛顿望远镜的四倍，分辨率则是它的数百倍。在未来两三年内，NICER团队预计将利用NICER计算另外大约六颗中子星的质量和半径，这次将会把半径估算的误差压缩到半公里以内。凭借这样的精度，这个团队能准备好开始推算所谓的中子星状态方程。这个方程能将中子星的质量与半径，或者等价地说，内部压强与密度联系起来。 

如果科学家们特别幸运，而自然又刚好乐意提供质量优异的数据的话，NICER有可能帮助我们排除中子星状态方程的几个特定版本。但是，多数物理学家认为这个探测器多半只能缩小可能范围，而非完全排除一部分描述这些神秘天体核心状况的模型。

“那依然会是向前的一大步。”Watts说。

NICER的第一个目标是J0030+0451——一颗孤立地以每秒200转频率旋转的脉冲星。它位于双鱼座，距地球337秒差距（1100光年）。

两个小组——一个主要来自阿姆斯特丹大学[1]，另一个则由马里兰大学[2]的研究者们主导——分别梳理了850个小时的观测数据，以互相作为对方工作的对照检查。

由于热点区的光强曲线是如此复杂，所以两个团队需要用超级计算机来对各种配置进行建模，并计算哪种配置与数据匹配得最好。两个团队最终得出的结果十分类似，都发现J0030拥有约1.3倍或1.4倍于太阳的质量，以及约13千米的半径。

这些结果还不是定论：它们能同时被用来支持常规或是超常的对中子星内部情况的预测。“目前为止，还没有必要引入任何时新的，疯狂的抑或是古怪的猜想。”田纳西大学的核天体物理学家Andrew Steiner说。

关于热点区形状和位置的新发现给了研究者们更大的意外。至于中子星的磁场，正统观点认为它们的磁力线就和条状磁铁周围的看起来差不多——磁北极和磁南极从星体对侧的圆形区域产生。与此相对，荷兰的超算模拟提示J0030的两个热点区都位于它的南半球，并且其中一个是长长的弯月形[1]。马里兰团队也得到了一种有三个热点的可能解：两个在南半球的卵形热点和一个靠近自旋南极的圆形热点[3]。

“看起来他们可能首次完成了对发射光束并非180度对立的脉冲星的真实观测。”图卢兹天体物理与行星学研究所的天体物理学家Natalie Webb说，她曾为类似的可能性做过模拟，“如果这的确属实，那就太棒了。”

这些结果会强化过去那些宣称中子星磁场（强度为太阳磁场的一万亿倍）比一般设想更加复杂的观测和理论。一般认为，脉冲星会在它们形成后的几百万年间慢慢地降低转速。然而，如果它们有一颗环绕旋转的伴星，就可能从伴星那里“偷取”物质和角动量，从而使自身以超快的速度自转。

一些理论学者提出，当这些物质沉积在脉冲星的表面时，会对浅层的类流体中子层产生影响，从而产生巨大的涡流。这些涡流会把中子星的磁场扭曲成奇怪的布局。最终，这颗伴星可能会被完全吸收，或是损失了太多质量以至于无法继续被引力束缚而飞离而去。目前孤单的J0030可能就是这种情况。

NICER正在继续观测J0030，以进一步提高对其半径测量的精确度。与此同时，NICER团队正准备开始分析来自第二个目标的数据。这是一颗略重一些，并带有一颗白矮星伴星的脉冲星。其他天文学家曾使用这对双星的轨道变动观测结果，来计算这颗脉冲星的半径，因此，NICER团队可以利用过去的独立测量结果来验证他们的发现。

研究团队计划在NICER的目标中涵盖至少一对高质量脉冲星，包括目前的中子星最大质量记录持有者——一颗达到2.14倍太阳质量的庞然巨物。这使得研究者们可以探究中子星由于质量过大从而塌缩为黑洞的一个上限。解释这颗2.14倍于太阳质量的天体，对理论学家来说就已经是个挑战了。还有几位研究者提议说NICER或许可以寻找两颗质量相同但半径不同的中子星。这样的发现能说明过渡点的存在，在这一状态下，微小的差异就能产生两种完全不同的星核。比如说，一颗中子星核可能主要包含中子，而另一颗则可能由更加奇异的物质构成。

虽然NICER处于先锋地位，但它并不是唯一一台探索脉冲星内涵的设备。2017年，美国的激光干涉引力波天文台（LIGO）以及意大利的室女座干涉仪（Virgo）探测到了两颗中子星碰撞并合的信号[4]。这两个天体在碰撞前互相绕对方旋转时，会发射引力波信号，其中包含了它们的大小和结构信息。两颗中子星的巨大引力都会互相对对方产生拖动和变形效应，最终将两者都由球体扭曲为泪滴形。在并合前最终时刻发生的变形程度，可以给物理学家们提供一些关于中子星内部物质可塑程度的线索。

去年四月，LIGO在路易斯安娜的设施第二次捕捉到了中子星碰撞的信号，更多的碰撞事件可能随时被观测到。到目前为止，这两次并合事件只提供了一些关于中子星内部性质的线索，显示这些内容物并不是特别具有可塑性。然而，现有的这一批设备还无法观测到关键的并合前的最后时刻。在这一时刻，扭曲的效应最强，也能最清晰地展示出中子星内部的状态。

日本的神冈引力波探测器预计将在今年晚些时候上线，而印度的引力波探测计划预计将在2024年启动。这些新设施与LIGO和Virgo一道，可以提高探测的敏感度，甚至有望捕捉到中子星碰撞前时刻的一些细节。

进一步展望未来，若干计划中的新设备可以观测到NICER和这一代引力波探测器无法捕捉的事件。一颗名为增强型X射线时变与偏振探测空间天文台（eXTP）的中欧合作卫星计划于2027年发射。它将会探究孤立的和双星系统内的中子星，帮助获得中子星状态方程。研究者们也提出了另一个可能在2030年代升空的空间探测项目——宽能带X射线时域分辨光谱天文台（STROBE-X）。该项目将使用NICER的热点技术，进一步以更高的精度确定至少20颗中子星的质量和半径。

中子星的核心大概会总是保留着一些秘密，但是物理学家们现在似乎已经准备好来开始剥去它外层的包裹。LIGO项目组的Read说，她合作参与的一个项目尝试设想2030年代和2040年代引力波探测器将能够解决什么样的科学问题。在这个过程中，她意识到中子星研究领域的面貌——具体而言，在中子星状态方程的问题上——将会变得非常不同。

“它是那种你觉得会永远存在的一桩‘悬案’，”Read说，“但是此时此刻，我预计学界将在十年内弄清楚中子星的结构之谜。”