在中子星內部——超新星爆發後留下的城市大小、超高密度的灰燼——現代物理學步入未知領域。在那裡，引力將物質壓縮到比原子核內密度高數倍的程度，理論家們懷疑這可能會成為前所未見的奇異粒子和相互作用的滋生地。但如此高的密度無法透過實驗室實驗進行探測，對於即使是當今最強大的計算機來說，處理起來仍然過於困難。
因此，當宇宙慷慨解囊提供幫助時，天文學家們抓住了這個機會。去年八月，先進雷射干涉儀引力波天文臺（LIGO）以及一個名為 VIRGO 的歐洲探測器，探測到來自地球約 1.3 億光年外兩顆中子星合併事件在時空中迴盪的引力波。這些波現在在 LIGO-VIRGO 團隊的新論文中進行了重新分析，為我們提供了迄今為止關於合併事件起源的最佳線索——以及中子星物質的真實構成。
當兩顆恆星朝著共同的厄運螺旋式靠近時，將軌道能量釋放到引力波中，它們也開始在彼此的表面上引起潮汐。這些潮汐相互作用吸走了更多的軌道能量，收緊了中子星的軌道並加速了它們的碰撞。LIGO-VIRGO 探測到的引力波中蘊含的潮汐強度，取決於每顆中子星的內部結構，物理學家使用“狀態方程”來模擬這種結構。對於中子星來說，狀態方程在數學上描述了恆星內部如何對密度、壓力和溫度的變化做出反應。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事。
這項新研究跟進了同一團隊去年十月釋出的初步計算，該計算未能完全探測到引力波訊號中的這些潮汐。“我們最初的分析相當‘睜大眼睛’——我們幾乎沒有做任何假設，”加州州立大學富勒頓分校的 Jocelyn Read 說，她是 LIGO“極端物質”團隊的負責人。
不過，在第二次嘗試中，該團隊觀察了這兩個天體的更多軌道，並加入了一些額外的約束條件。即，他們為這兩個天體分配了相同的狀態方程——這是一個合理的假設，因為關於合併事件的所有可用資料幾乎可以肯定碰撞的來源是一對中子星。
接下來，他們測試了可能解釋資料的狀態方程，並添加了其他合理的、現實世界的要求。例如，壓力和密度的變化不能在中子星（或任何其他物體）內部產生速度快於光速的聲波。並且狀態方程還必須符合最重已確認的中子星，其重量約為 1.97 個太陽質量。如果中子星物質無法承受足夠高的壓力，那麼這樣的天體根本就不會是中子星——它早就坍縮成黑洞了。
考慮到所有這些因素，新的分析發現，參與合併的兩顆中子星，每顆的重量可能為 1.4 個太陽質量，但相對於這個重量來說卻相當小：半徑約為 12 公里。這將與之前有爭議的中子星半徑 X 射線測量結果相符。並且暗示中等大小的中子星與 1.97 太陽質量的重型中子星相比，內部壓力相對較低，後者必須具有更高的壓力才能為抵抗如此巨大的引力提供堅硬的骨架。
與實驗室對密度低得多的物質的測量結果相比，新資料初步顯示，壓力在密度越來越大的物質中增加的方式存在向上彎曲的跡象。如果中子星完全由中子和質子組成，則不會出現這種彎曲——在這種情況下，壓力應該只是平穩地增加。“狀態方程中可能會出現一些有趣的結構，”Read 說，並補充說，資料仍然與壓力的穩定增長相符，這對應於由僅由質子和中子組成的“無趣的”中子星。不過，如果物理學家能夠證實狀態方程中存在這樣的彎曲，這可能表明物質在非常高的密度下會發生相變，就像水在足夠低的溫度下從液態變為固態一樣。在中子星中，這種相變可能源於中子分解成其組成粒子夸克的湯。
這項新研究與雪城大學研究生 Soumi De 領導的團隊在四月份發表的對同一事件的先前分析結果相呼應，但精度提高了一倍。“令人鼓舞的是，這一個事件尚未被完全挖掘，”石溪大學天體物理學家 James Lattimer 說，他是早期論文的合著者。
Lattimer 和 Read 的團隊都計劃繼續重新分析去年八月的訊號。“我們還沒有從這件事中榨取我們所能榨取的一切，”Read 說。很快，額外的中子星合併訊號可能會從引力波探測器中出現，為希望確定這些奇異天體的狀態方程的天體物理學家提供更多資料。
與此同時，五月份在The Astrophysical Journal Letters 上發表了另一個有用的結果。在去年八月的中子星合併事件之後，其他天文學家使用錢德拉 X 射線天文臺搜尋了其殘骸，希望一睹其最終結果：一顆單一的、更重的中子星或一個黑洞。
一顆重約 2.7 個太陽質量的巨型中子星將遠遠超過之前的紀錄保持者，迫使中子星狀態方程適應更嚴格的約束。但事實並非如此；錢德拉的資料顯示，從合併事件的殘骸中流出的 X 射線相對較少，這一觀測結果與黑洞的形成相符。根據 Lattimer 的說法，這作為其自身的限制很有趣——天文學家現在知道中子星物質不可能支撐如此大的重量。“我不認為我對合並事件能夠告訴我們的所有事情進行了足夠富有想象力的思考，”他說。