死亡恆星的遺骸內部潛藏著一個謎團。中子星，是某些型別的恆星在超新星爆發中死亡時形成的，是宇宙中密度最高的物質形態；黑洞是唯一密度更高的東西，但它們已經完全超出了正常物理學的範疇，不再是物質。中子星中的原子被引力擠壓得如此緊密，以至於它們已經分解，內部的質子和電子擠壓在一起形成中子，留下的物體只有小城市的大小，卻包含著比太陽還大的質量。中子星質量的約 95% 是純中子，但物理學家想知道在密度達到頂峰的中心會發生什麼。中子會進一步分解成構成它們的夸克和膠子嗎？一些夸克會從正常的“上”味和“下”味轉變成在普通物質中找不到的更奇怪和更重的“奇異夸克”嗎？這些粒子會形成一種被稱為超流體的極端物質狀態，它會毫無粘滯地晃動，永不減速嗎？
科學家們透過研究當兩顆中子星相互碰撞並變成黑洞時產生的光和引力波，在理解這些奇異天體的內部運作方面邁進了一步。引力波是當大質量物體移動時在時空中刻出的褶皺。科學家們直到 2015 年才獲得探測引力波的能力，並且迄今為止只發現了少數涉及中子星的事件（其他事件是黑洞的碰撞）。但是，研究這些波的特性——它們的頻率以及它們如何隨時間變化——可以告訴科學家們很多關於產生它們的物體的資訊。物理學家尋求精確測量中子星的質量和半徑，這將有助於揭示它們的“狀態方程”——這些恆星內部壓力和密度之間的關係。瞭解中子星的狀態方程反過來會表明它們內部隱藏著什麼樣的物質。
在一項新的研究中，一個國際研究團隊將兩次中子星碰撞的引力波測量結果，以及其中一次碰撞隨之而來的光訊號（另一次是暗的），與來自觀測快速旋轉的中子星（稱為脈衝星）的中子星質量和半徑的估計值相結合。“最大的優勢在於它是一個非常連貫的畫面，”德國波茨坦大學的研究成員蒂姆·迪特里希說，他是一篇報告結果的論文的合著者，該論文今天發表在《科學》雜誌上。“我們結合了我們目前知道的所有資訊，包括引力波和電磁波、來自單顆中子星的資訊以及來自核物理學的理論計算。”他們推匯出的狀態方程預測，質量為太陽 1.4 倍的中子星的半徑約為 11.75 公里，誤差為正負 0.81 至 0.86 公里。這比曼哈頓長度的一半還多一點。“中子星的大小直接取決於核心內部物質的行為，因此這使我們更好地瞭解中子星物質的特性，”迪特里希說。
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例如，如果中子在這些恆星的核心中保持完整，它們將向外推擠外層，可能導致半徑略微增大。另一方面，如果中子分解成夸克湯，核心會更柔軟，整個恆星會稍微下沉，從而導致半徑更小。
新的測量結果與早期研究普遍一致，這些研究考察了引力波資料和其他測量中子星大小的方法。“這篇論文是對先前研究的良好聯合重新分析，並沒有改變過去幾年一直存在的總體印象，即中子星的半徑約為 11 至 13 公里，”聖路易斯華盛頓大學的物理學家馬克·阿爾福德說。阿姆斯特丹大學的天體物理學家安娜·瓦茨說，這種型別的綜合分析“顯然是前進的方向”，但沒有一項測量結果“足夠好到真正確定緻密物質的性質”。該領域將需要等待未來的資料才能真正瞭解中子星內部發生的事情。
“我認為這是一項非常好的分析，”石溪大學的物理學家詹姆斯·拉蒂默說，他沒有參與這項研究。他警告說，在模擬不同可能的狀態方程與資料的擬合程度時，該團隊可能錯誤地排除了太多產生半徑較大的中子星的方程。“我認為他們低估了他們的不確定性。但在某種意義上，這只是一個意見問題，以及你對不同統計方法的信心有多大。”
除了揭示中子星的秘密外，該研究還產生了哈勃常數的測量值，它反映了宇宙的膨脹速度。為了推匯出常數，科學家們使用來自一次碰撞的引力波的振幅來估計碰撞發生的距離。然後，他們將他們的距離測量值與碰撞宿主星系的已知速度進行了比較，該速度是透過觀察星系的紅移來測量的——即星系的光向光譜的紅色端滑動了多少。他們發現的哈勃常數為每秒每百萬秒差距 66.2 公里，這不足以在已經存在的相互競爭的測量值之間做出決定，但為宇宙膨脹速度這個備受爭議的問題增加了另一個數據點。
科學家們希望將相同型別的分析應用於未來出現的中子星碰撞。“我們邁出了第一步，現在我們將繼續前進，”巴黎大學的團隊成員莎拉·安蒂爾說，她是一位天文學家，負責尋找伴隨引力波事件的光訊號。“我的任務是連線不同的天文臺，以提供一個網路，以便在引力波探測器發現新訊號時立即進行觀測。”
物理學家們正在等待下一代引力波探測器上線，例如美國的宇宙探測器和歐洲的愛因斯坦望遠鏡，它們將於 2030 年代投入使用。這些機器應該更加靈敏，使它們能夠捕獲更多來自更多事件的訊號，並提供更高精度的資料。未來的專案，例如增強型 X 射線定時和偏振測量任務 (eXTP) 和 雅典娜 X 射線天文臺，也應該收集更精確的脈衝星測量資料。
自從引力波資料可用以來，科學家們在短時間內學到了很多東西，未來有望極大地擴充套件我們對高壓下極端物質的瞭解。“過去的四年是 remarkable 的，”拉蒂默說。“它顯示了我們未來將獲得的潛力。我們應該從引力波事件中獲得更多的測量結果，並且隨著我們新增每個新事件，結果將趨於一致。”