當一顆巨大的恆星在超新星中死亡時，爆炸僅僅是終結的開始。大部分恆星物質被拋向四面八方，但恆星富含鐵的核心仍然留下。這個核心包含相當於兩個太陽的質量，並迅速收縮成一個可以跨越曼哈頓長度的球體。巨大的內部壓力——足以將珠穆朗瑪峰壓縮成方糖大小——將亞原子質子和電子融合為中子。
天文學家對中子星的誕生過程瞭解很多。然而，之後在這些超高密度核心內部究竟發生了什麼，仍然是個謎。一些研究人員推測，中子可能一直佔據主導地位直至中心。另一些人則假設，難以置信的壓力將物質壓縮成更奇異的粒子或狀態，這些粒子或狀態會以不尋常的方式擠壓和變形。
現在，經過數十年的推測，研究人員正越來越接近解開這個謎團，部分歸功於國際空間站上名為中子星內部成分探測器 (NICER) 的儀器。
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去年 12 月，美國宇航局的這座太空天文臺為天文學家提供了迄今為止對中子星質量和半徑最精確的一些測量，以及關於其磁場的意外發現。NICER 團隊計劃在未來幾個月內釋出更多關於其他恆星的結果。引力波天文臺也正在傳來其他資料，這些天文臺可以觀察中子星在碰撞時如何扭曲。透過這些綜合觀測，研究人員有望確定中子星內部的物質構成。
對於該領域的許多人來說，這些結果標誌著宇宙中最令人費解的天體之一的研究迎來轉折點。“中子星物理學正開始進入黃金時代，”德國法蘭克福歌德大學的理論物理學家于爾根·沙夫納-比利奇說。
NICER 望遠鏡於 2017 年搭乘 SpaceX 獵鷹 9 號火箭發射升空，耗資 6200 萬美元，位於空間站外部，收集來自脈衝星的 X 射線——脈衝星是自旋中子星，以巨大的柱狀輻射帶電粒子和能量，像燈塔的光束一樣掃過四周。X 射線起源於脈衝星表面數百萬度的高溫熱點，強大的磁場從外部剝離帶電粒子，並將它們猛烈地撞回相對的磁極。
NICER 使用 56 個鍍金望遠鏡探測這些 X 射線，並以 100 納秒的精度為它們到達的時間加蓋時間戳。憑藉這種能力，研究人員可以精確跟蹤中子星每秒高達 1000 次的旋轉速度的熱點。當熱點掃過物體時，它們是可見的。但是中子星對時空的扭曲非常強烈，以至於 NICER 還可以探測到來自背對地球的熱點的光。愛因斯坦的廣義相對論提供了一種透過光線彎曲量來計算恆星質量半徑比的方法。這些和其他觀測結果使天體物理學家能夠確定已故恆星的質量和半徑。這兩個屬性可能有助於確定核心內部正在發生什麼。
深入、黑暗的謎團
中子星越深入內部就越複雜。在主要由氫和氦組成的稀薄大氣層之下，人們認為恆星遺骸擁有僅一兩釐米厚的外部地殼，其中包含原子核和自由移動的電子。研究人員認為，在下一層，電離元素變得緊密堆積在一起，在內部地殼中形成晶格。更深處，壓力非常大，幾乎所有質子都與電子結合變成中子，但除此之外發生的事情充其量是模糊不清的。
圖片來源：《自然》雜誌
“瞭解成分是一回事，”加州州立大學富勒頓分校的天體物理學家喬斯林·裡德說，“瞭解配方，以及這些成分將如何相互作用，又是另一回事。”
物理學家對正在發生的事情有一些瞭解，這要歸功於地球上的粒子加速器。在位於紐約州厄普頓的布魯克海文國家實驗室和瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心大型強子對撞機等設施中，研究人員將鉛和金等重離子撞擊在一起，以產生短暫的超高密度物質集合。但這些動力學實驗會產生十億甚至萬億度的閃光，其中質子和中子會溶解成構成它們的夸克和膠子的湯。地球儀器很難探測中子星內部相對溫和的數百萬度條件。
關於可能發生什麼，有多種想法。可能是夸克和膠子自由漫遊。或者，極端能量可能導致產生稱為超子的粒子。與中子一樣，這些粒子包含三個夸克。但是，中子包含最基本和最低能量的夸克，稱為上夸克和下夸克，而超子至少有一個被奇異的“奇”夸克取代。另一種可能性是中子星的中心是玻色-愛因斯坦凝聚態，這是一種物質狀態，其中所有亞原子粒子都充當一個單一的量子力學實體。理論家們也設想了更離奇的前景。
至關重要的是，每種可能性都會以其特有的方式抵抗中子星巨大的引力。它們將產生不同的內部壓力，因此對於給定的質量，半徑會更大或更小。例如，具有玻色-愛因斯坦凝聚態中心的中子星可能比由中子等普通物質製成的中子星具有更小的半徑。核心由柔韌的超子物質製成的中子星可能具有更小的半徑。
“粒子的型別以及它們之間的力會影響材料的柔軟或可壓縮程度，”阿姆斯特丹大學 NICER 團隊成員安娜·沃茨說。
區分這些模型將需要精確測量中子星的大小和質量，但研究人員尚未能夠將他們的技術推到足夠精細的水平，以說明哪種可能性最大。他們通常透過觀察雙星系統中的中子星來估計質量。當物體相互繞行時，它們會在引力上相互拉扯，天文學家可以使用它來確定它們的質量。大約 35 顆恆星以這種方式測量了質量，儘管這些數字可能包含高達一個太陽質量的誤差條。僅僅十幾顆左右的恆星也計算出了半徑，但在許多情況下，這些技術無法將該值確定到優於幾公里的精度——高達中子星大小的五分之一。
歐洲航天局的 XMM-牛頓 X 射線天文臺於 1999 年發射，至今仍在執行，它也使用了 NICER 的熱點方法。NICER 的靈敏度是 XMM-牛頓的四倍，時間解析度高出數百倍。在未來兩到三年內，該團隊預計能夠使用 NICER 計算出另外六個目標天體的質量和半徑，將其半徑精確到半公里以內。憑藉這種精度，該小組將能夠很好地開始繪製出所謂的“中子星狀態方程”，該方程將質量與半徑相關聯，或者等效地，將內部壓力與密度相關聯。
如果科學家特別幸運，並且大自然碰巧提供了特別好的資料，NICER 可能會幫助消除該方程的某些版本。但大多數物理學家認為，僅憑天文臺本身，可能只會縮小範圍，而不會完全排除關於神秘天體核心內部發生情況的模型。
“這仍然將是我們目前所處水平的巨大進步，”沃茨說。
磁力線
NICER 的第一個目標是 J0030+0451，一顆孤立的脈衝星，它大約每秒自旋 200 次，距離地球 337 秒差距（1,100 光年），位於雙魚座。
兩個小組——一個主要設在阿姆斯特丹大學 ，另一個由位於學院公園的馬里蘭大學的研究人員領導——分別篩選了 850 小時的觀測資料，相互進行核對。
由於熱點光變曲線非常複雜，這些小組需要超級計算機來模擬各種配置，並找出哪種配置最適合資料。但兩者都得出了相似的結果，發現 J0030 的質量是太陽的 1.3 或 1.4 倍，半徑約為 13 公里。
基於對 NICER 資料的分析，脈衝星 J0030+0451 的熱點在兩種情況下旋轉。圖片來源：美國宇航局戈達德太空飛行中心
這些結果並非最終結果：它們可以用來支援關於中子星內部結構的平凡或超凡脫俗的預測。“目前還沒有任何奇特、瘋狂或奇異的要求，”田納西大學諾克斯維爾分校的核天體物理學家安德魯·施泰納說。
研究人員對關於熱點的形狀和位置的發現感到更加驚訝。關於中子星的經典觀點是，它們的磁力線看起來像圍繞條形磁鐵的磁力線，南北極從恆星兩端的圓形斑點中出現。相比之下，荷蘭超級計算機模擬表明，J0030 的兩個熱點都位於其南半球，其中一個熱點呈長條形和新月形。馬里蘭大學的團隊還提出了三熱點解決方案的可能性：兩個南部的橢圓形熱點和一個靠近旋轉南極的最終圓形熱點。
法國圖盧茲天體物理學與行星學研究所的天體物理學家納塔莉·韋伯曾對這種可能性進行建模，她說：“看來他們可能首次真正探測到光束不是相隔 180 度的脈衝星。” “如果這是真的，那就太棒了。”
這些結果將支援之前的觀測和理論，這些觀測和理論表明，中子星的磁場（比太陽的磁場強一萬億倍）可能比通常認為的更復雜。脈衝星最初形成後，人們認為它們的自轉會在數百萬年的時間裡減慢。但是，如果它們有一顆伴星繞其執行，它們可能會從伴星那裡竊取物質和角動量，從而將自轉速度提高到超快速度。當物質沉積在恆星外部時，一些理論家認為這可能會影響地下中子的流體狀層，產生巨大的渦流，從而將中子星的磁場扭曲成奇怪的排列。伴星最終可能會被吞噬，或者失去太多質量以至於引力解綁並飛走，現在的孤立脈衝星 J0030 可能就是這種情況。
工作正在進行中
NICER 正在繼續觀測 J0030，以進一步提高其半徑測量的精度。與此同時，該團隊開始分析來自第二個目標的資料，這是一個稍重一些的脈衝星，它有一個白矮星伴星。其他天文學家已經使用對這對星體的軌道舞動的觀測來確定脈衝星的質量，這意味著 NICER 研究人員有一個獨立的測量值，他們可以使用它來驗證他們的發現。
在 NICER 的目標中，該團隊計劃至少包括幾顆高質量脈衝星，包括目前質量最大的中子星的記錄保持者——一個質量是太陽 2.14 倍的龐然大物。這將使研究人員能夠探測上限：中子星坍縮成黑洞的點。即使是 2.14 太陽質量的天體也讓理論家難以解釋。一些研究人員還建議，NICER 可能能夠找到兩顆質量相同但半徑不同的中子星。這將表明存在一個過渡點，在這個過渡點上，細微的差異會產生兩個不同的核心。例如，一個可能主要包含中子，而另一個可能由更奇異的物質組成。
NICER 使用 56 個鍍金望遠鏡接收 X 射線，安裝在國際空間站外部。圖片來源：美國宇航局
雖然 NICER 處於先鋒地位，但它並不是唯一探測脈衝星深度的儀器。2017 年，美國雷射干涉引力波天文臺 (LIGO) 與義大利的 Virgo 探測器一起，接收到兩顆中子星碰撞和合並的訊號。當物體在碰撞前相互旋轉時，它們發出的引力波包含有關恆星大小和結構的資訊。每顆恆星巨大的引力影響拉扯並使其伴星變形，將兩者都從球體扭曲成淚滴狀。最後時刻的變形量為物理學家提供了關於中子星內部物質延展性的線索。
LIGO 在路易斯安那州利文斯頓的設施去年 4 月接收到了第二次中子星碰撞訊號，並且隨時可能發現更多事件。到目前為止，這兩次合併僅暗示了中子星內部的特性，表明它們並非特別容易變形。但是，當前一代設施無法觀察到關鍵的最後時刻，那時扭曲將是最大的，並且最清楚地顯示內部條件。
位於日本飛騨市的神岡引力波探測器預計將於今年晚些時候上線，印度在馬哈拉施特拉邦馬拉特瓦達奧恩達納迦納特附近的引力波觀測倡議將於 2024 年啟動。與 LIGO 和 Virgo 相結合，它們將提高靈敏度，甚至可能捕捉到碰撞前瞬間的細節。
展望未來，幾個計劃中的儀器可能會進行 NICER 和當前的引力波天文臺無法進行的觀測。一顆名為增強型 X 射線時變和偏振測量任務 (eXTP) 的中歐衛星預計將於 2027 年發射，研究孤立和雙星中子星，以幫助確定它們的狀態方程。研究人員還提出了一個可能在 2030 年代飛行的空間任務，稱為寬頻能量 X 射線光譜時間分辨天文臺 (STROBE-X)。它將使用 NICER 的熱點技術，以更高的精度確定至少 20 顆以上中子星的質量和半徑。
中子星的核心可能永遠會保留一些秘密。但物理學家現在似乎已經做好了開始剝開層層的準備。作為 LIGO 團隊成員的裡德表示，她曾參與一個專案，設想引力波探測器在 2030 年代和 2040 年代能夠解決哪些科學問題。在此過程中，她意識到中子星研究的格局——特別是狀態方程問題——到那時應該會大相徑庭。
“這是一個長期存在的難題，你認為它會一直存在，”她說。“現在我們已經到了這樣的地步，我可以看到科學界在本十年內解決中子星結構難題。”
本文經許可轉載，最初於 2020 年 3 月 4 日發表。