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中子星|诞生于巨大恒星死亡之时的“中子星”到底有多大？( 二 )


天体物理学家还没有得出完整的状态方程 ， 不过也并不是一无所知 。 中子星的大小完全由引力和核力决定 ， 而太阳这样的普通恒星的大小则会在一生之中不断变化 。 正常情况下 ， 中子星都是完美的球形 ， 否则在旋转时就会释放出可探测到的引力波 。 不过 ， 在GW170817这类碰撞发生时 ， 两颗中子星之间的强大引力便会将它们拉得变形 。 这种现象叫做潮汐变形 ， 也是一种由状态方程决定的性质 。
虽然在实验室中无法重现中子星内部的超大密度和压力 ， 但天体物理学家可以从低密度核实验中推演出相关核粒子之间的相互作用 。 再加上强有力的理论工具——手称有效场模型 ， 这些实验结果成功确定了状态方程的边界条件 。
“你要先观察到双中子星系统形成的引力波 ， 然后利用贝叶斯参数估计法得出中子星的半径、质量、自转情况、以及潮汐变形情况 。 ”布朗指出 。
利用这种方法 ， 便得到了给定质量的情况下、对中子星半径最精确的估算结果 。
NICER一展身手
中子星|诞生于巨大恒星死亡之时的“中子星”到底有多大？
图片

在科学研究中 ， 光凭一套系统得出结论是远远不够的 。 但到目前为止 ， 大自然尚未为我们提供第二次既产生了引力波、又释放了千新星信号的中子星相撞事件 。
好在 ， NICER探测器并不需要中子星发生相撞、甚至不需要双中子星系统 。 它可以测量到中子星系统发出的X射线波动和谱线 ， 包括快速旋转的脉冲星 ， 它会产生密集的光束 ， 用望远镜看去 ， 就好像规律的闪光一样 。
这些闪光可能是物质落到中子星表面时产生的 ， 这或许可以为我们提供与中子星半径相关的信息 。 闪光还可能出现在距离较远、暂时不会相撞的双星系统中 ， 比如首次向世人揭示引力波存在的Hulse-Taylor双脉冲星等等 。
NICER对GW170817的探测结果与布朗团队的研究结论并不是完全相符 。 由于NICER的数据存在不确定性 ， 这不是个大问题 ， 但布朗和沃茨均认为 ， 最好再深入研究一下造成差异的原因 。
“如果NICER的结果与我们的相一致 ， 那就太好了 。 ”布朗指出 。 她认为 ， 这两项研究之间的差异就类似于对宇宙膨胀速度的测算 ， 后者在宇宙学界也是众说纷纭 。
与此同时 ， 沃茨怀疑这些差异可能与对千新星的观测有关 。 倒不是说这些观测是错的 ， 而是可能存在某种未知的系统性问题 ， 即对模型偏差的理解不同 ， 这可能会影响我们对原始数据的分析 ， 进而影响我们从复杂系统中提炼出的测量结果 。
“你必须非常小心 ， 因为你最终推断出的东西可能并不是你一开始提出的东西 。 ”沃茨表示 ， “最终 ， 如果你想把各种不同的测量结果汇总在一起 ， 就需要充分了解状态方程的性质 。 ”
NICER探测器的任务才刚开始不久 。 沃茨和布朗都会持续留意是否有新结果问世 。
有趣的是 ， 天文学家在2020年6月刚刚宣布了一个引力波系统 ， 该系统既可能使问题变得更加复杂、又可能帮我们弄清一些事情 。 这个名叫GW190814的系统由一个黑洞、以及一个质量为太阳2.6倍的未知天体构成 。 质量这么轻的天体不大可能是个黑洞 ， 而针对千新星的研究又显示 ， 中子星不会长到这么大 。 不过沃茨指出 ， 根据目前的NICER探测结果 ， 质量为太阳2.6倍的中子星是有可能存在的 。 这样一来 ， GW190814系统的问题就迎刃而解了 。
无论最终真相如何 ， 天体物理学家已经在测量极小天体这件事上取得了巨大的进步 。 这都要归功于他们采用的多信使、跨专业研究手段 。 如果我们能通过NICER和引力波获得更多观测结果 ， 中子星的大小和组成之谜也许终有解开之日 。 （叶子）
（责任编辑：季丽亚 HN003）


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