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大象公会中子星物理的黄金时代已经到来( 二 )


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AnnaWatts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 。
场线
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 。
基于对NICER数据分析得到的脉冲星J0030+0451上热点旋转的两种情况 。 来源：NASA戈达德太空飞行中心/CI实验室
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 。


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