大象公会中子星物理的黄金时代已经到来
这些星体属于宇宙中最为神秘的一部分存在 ， 现在关于它们的谜团终于开始解开 。
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 。
在一项计算机模拟中 ， 自旋中子星周围的强大电磁场将带电粒子“抽”得团团乱转 。 来源：NASA戈达德太空飞行中心
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JürgenSchaffner-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 。
深邃黑暗的谜团
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’） 。
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“了解成分是一回事 ， ”加州州立大学的天体物理学家JocelynRead说 ， “明白具体的组成配方和成分之间如何互作是另一回事 。 ”
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