中子星上的“山”

中国空间科学学会CSSR

原文标题为：那里的山，不足一毫米高！

当大质量恒星在耗尽燃料时，会坍缩形成宇宙中最致密的天体之一——中子星。中子星的半径只有约10千米，但是它的质量却与太阳相当。在宇宙中，它们是除黑洞之外密度最大的天体，一茶匙的中子星上的物质就可重约10亿吨。

这种致密使得中子星有着强大得令人难以置信的引力场，它大约是地球数十亿倍。如此极端的引力将中子星表面的任何特征都挤压到极小的尺度上，使得中子星看起来就像是一个有着坚固外壳的几乎完美的球体。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，质量的运动可以导致引力波的发射，这种时空结构中的涟漪以光速从源头传播而出。一直以来，快速旋转的中子星都被认为是潜在的引力波发射源。中子星若要可以单独发射引力波，那么这些高速自旋着的中子星必须有一些不沿着其旋转轴的非对称性变形，这样的变形被天文学家称为中子星上的“山”。

中子星有一个流体的内核和一个弹性的外壳，外壳的厚度大约为1千米，是中子星密度最低的区域。在之前的一些研究中，天文学家发现在中子星的表面的确有“山”形成。这些“山”形成的方式有很多种，它们可能是在中子星的外壳或内核中形成的结构，也可能是由落在中子星上的其他物质形成的结构，再或者是通过非常大的内部磁场而产生并维持的结构。

近年来，随着对双中子星并合所产生的引力波的成功探测以及探测仪器灵敏度的改进，天文学家越来越期待能观测到仅有快速旋转的中子星自身所产生的引力波信号。然而，我们并没有探测到能够直接证明快速旋转的中子星会产生引力波的证据。

尽管如此，天文学家已经为了寻找这些来自单个中子星的引力波信号作出了巨大努力。目前，已知有350多颗脉冲星（脉冲星是快速旋转的中子星）的自转速度快到由它们发射的引力波可以处于当前探测器的敏感频段，这些数据可以告诉天文学家有关于这些脉冲星的频率、位置以及频率随时间变化的精确信息。

对天文学家来说，有一个很有必要探究的问题是：在中子星的外壳破裂之前，一座中子星上的“山”能有多大？这是天文学家在过去20多年的时间里一直试图了解的问题。到目前为止，天文学家只能通过现有的探测为不同的脉冲星上的“山”大小设定上限。

过去的研究表明，中子星所能够承受的完美球体偏差约为百万分之几，这意味着这些“山”可能有几厘米高。这些计算假设了中子星的外壳会被拉伸到在外壳的每一点上都接近破裂的地步。

现在，英国南安普顿大学的一个研究小组对中子星上的“山”大小进行了评估。在新的模型中，研究人员发现之前研究所做的假设在物理上并不现实，因此中子星上的山最高可达数厘米的估计可能存在严重缺陷。

在新研究中，研究人员通过创建能够精确模拟中子星外壳的新计算机模型，预测了中子星“山”的大小。他们模拟能够导致“山”形成的各种力，通过增加力的强度，观察外壳的破裂。这一过程使研究小组能够预测出中子星在不破裂的情况下所能维持的“山”的最大大小。他们没有像之前的研究那样将中子星外壳上的每一点都拉伸到最大程度，而只有在某一点上是这样。

通过新的模型，研究人员发现这些山的高度不超过一毫米，比此前认为的小很多。以如此微小的尺度来看，它们与其被称为“山”，可能更适合被称为“隆起物”或“小山包”。这些“小山包”越小，旋转着的中子星所能产生的引力波就越小，也就更加难以被探测到。

现在，研究人员将结果以两篇论文的形式提交到了arXiv预印网站上，并在7月19日举行的2021年英国皇家天文学会议上介绍了这些最新的发现。我能期待在不久的未来，在更加灵敏的探测器的帮助下，天文学家能够突破一些现有的极限，成功地直接探测到这些期待已久的引力波。

#创作团队：

文：不二北斗

#参考来源：

https://ras.ac.uk/news-and-press/research-highlights/bugs-life-millimetre-tall-mountains-neutron-stars

https://www.ligo.org/science/Publication-S6VSR24KnownPulsar/

https://www.livescience.com/millimeter-tall-neutron-star-mountains.html

#图片来源：

封面来源：ESO / L. Calçada

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