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一個距離數千光年的極其密集的宇宙天體正在充當一個天然的核物理實驗，為在實驗室中無法重現的過程提供線索。
天體物理學家們研究中子星（大質量恆星的超緻密殘骸），以瞭解物質在它能承受的最高密度下的行為。當一顆恆星坍縮成中子星時，剩下的就是一個將比整個太陽系包含的質量還要多的質量壓縮到一箇中等城市直徑的球體中的物體。已經提出了許多假設來解釋這些超密物體的核心可能是什麼，從簡單的中子和質子到更奇特的混合物，其中包含在地球上壽命極短的量子粒子。
“很難預測物質在這些密度下會做什麼，”位於弗吉尼亞州夏洛茨維爾的國家射電天文臺的射電天文學家保羅·德莫雷斯特說。“它基本上是我們所知的不是黑洞的最密集的物質形式。”
現在，一顆名為 J1614-2230 的中子星正在為該物體及其同類由什麼構成提供一些答案。一項新的、精確的 J1614-2230 質量估計，將這顆恆星殘骸的質量定為接近太陽質量的兩倍，根據10月28日出版的《自然》雜誌上的一項研究，排除了幾種關於中子星內部的擬議模型。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
憑藉世界上最大的射電望遠鏡之一和一點運氣，德莫雷斯特和他的同事們透過定時來自中子星的規則電磁脈衝的到達時間來推匯出質量。J1614-2230 是一顆脈衝星，一顆發射輻射束的中子星，當脈衝星旋轉並且其光束像燈塔的光束一樣掃過天文學家的望遠鏡時，以爆發的形式到達地球。研究人員針對的脈衝星是一顆相當快的旋轉器，每秒完成 300 多次旋轉。但是每個脈衝並不是完全按時到達；當光束在其從 J1614-2230 到地球的大約 3000 光年的旅程中經過一個巨大物體時，由於廣義相對論的一種效應（稱為引力時間膨脹），其到達時間會延遲。
在西弗吉尼亞州的 100 米 綠岸望遠鏡，德莫雷斯特和他的同事們定時了 J1614-2230 的射電脈衝的到達時間，因為脈衝星在一個雙星伴星（一個質量較小的恆星殘骸，稱為白矮星）的軌道上迴圈。白矮星的質量是太陽的一半，它的質量足以將脈衝的到達時間延遲數十微秒，這要歸功於脈衝星-白矮星雙星的軌道平面與地球視線的幸運對齊。（當白矮星和脈衝星的相對位置使它們與地球成一直線時，來自 J1614-2230 的輻射束在到達這裡的途中非常靠近白矮星，從而最大程度地延遲。）“我們很幸運，這個系統從地球上看幾乎是完全側向的，”德莫雷斯特說。
透過追蹤引力引起的滯後（一種稱為夏皮羅延遲的現象）在脈衝星-白矮星系統的整個 8.7 天軌道上的演變，研究人員能夠對物體的質量進行精確估計。脈衝星 J1614-2230 的估計值（該研究的作者得出結論，其質量是太陽的 1.97 倍）是迄今為止對中子星的最大精確估計值。該測量為許多擬議的中子星組成中哪些是有效的提供了一些指導，因為某些模型不允許存在如此巨大的物體。
“擁有一個如此巨大的物體排除了一大堆完全合理、相當主流的預測，”馬里蘭大學帕克分校的天體物理學家科爾·米勒說，他在同一期《自然》雜誌上撰寫了一篇評論，其中附有這項研究。其中一些包括來自超子的貢獻，超子是比中子稍重一點的粒子，在地球上的壽命極其短暫，或者是從質子和中子中解脫出來的夸克，它們通常會共同形成質子和中子。“我想說，這個物體相對較高的質量有點支援以中子和質子為主的核心，以及一些電子，”米勒說。
紐約州長島石溪大學的天文學教授詹姆斯·拉蒂默表示，J1614-2230 的測量“為中子星的質量設定了一個重要的全新限制”，並且其高信噪比使其與過去得出的類似的高質量區分開來。他指出，儘管這項研究排除了迄今為止提出的大多數超子模型，但可能會設計出與新觀測結果相吻合的替代模型。類似地，對於夸克物質，這項研究使得“在中子星內部擁有解脫的夸克更加困難，但這當然不是被排除的，”拉蒂默說。
中子星內部的構成不僅僅是為了證明一位研究人員的模型是正確的而另一位是錯誤的。“這是非常基礎的核物理，”米勒說。“透過觀察中子星和其他天體物理物體，我們能夠探索在地球上根本無法到達的領域。這在歷史上是我們真正學到最多的地方，我們已經超越了實驗室實驗的界限。”