中澳科學(xué)家聯(lián)手探尋中子星“體重密碼”

原標(biāo)題：中澳科學(xué)家聯(lián)手探尋中子星“體重密碼”

中子星的直徑僅為20多千米，切面相當(dāng)于北京四環(huán)內(nèi)區(qū)域大小，但其重量卻是地球的幾十萬倍。如果從中子星上挖“一勺土”，那么它的重量可能有上億噸。中子星為何這么重？它究竟由什么物質(zhì)構(gòu)成？這些是天文學(xué)家一直在探索的問題。

日前，北京師范大學(xué)引力波團隊與澳大利亞研究基金會引力波發(fā)現(xiàn)卓越中心等單位合作，在中子星初生質(zhì)量的研究中取得重要進展，相關(guān)論文發(fā)表于國際期刊《自然·天文學(xué)》。

超新星研究的突破口

當(dāng)一顆質(zhì)量為太陽八倍至幾十倍的恒星核燃料耗盡時，會向核心坍縮，物質(zhì)被急劇壓縮，直至到達極限后觸底反彈，產(chǎn)生超新星爆發(fā)，并可能遺留下中子星這一致密殘骸。

“早在宋朝，天文學(xué)家就觀測到了一次罕見的超新星爆發(fā)。后來，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)蟹狀星云中的脈沖星正是那次爆發(fā)后留下的中子星。”論文作者之一、北京師范大學(xué)文理學(xué)院研究員朱興江介紹，迄今為止，天文學(xué)家已通過射電望遠鏡等手段發(fā)現(xiàn)了4000多顆脈沖星，這些一般都被認為是中子星。

關(guān)于中子星，一直有諸多未解之謎。朱興江說，一是內(nèi)部物質(zhì)狀態(tài)不明。中子星內(nèi)部密度極高，溫度、壓力均處于極端狀態(tài)，其內(nèi)部具體的物理性質(zhì)仍不清楚。二是磁場機制未明。核坍縮后，中子星磁場強度激增，但其磁場生成、放大以及隨時間衰減的機制尚未明晰。三是致密天體質(zhì)量范圍未知。超新星爆發(fā)殘留的可能是中子星或黑洞，如何從質(zhì)量上清晰界定這些不同的天體仍是天文學(xué)界的重大挑戰(zhàn)。

“中子星作為超新星爆發(fā)后留下的致密天體，其初生質(zhì)量信息對于反推其前身恒星質(zhì)量具有重要意義。”朱興江說，由于直接捕捉前身恒星信息極為困難，研究中子星初生質(zhì)量成為推動超新星理論研究的重要突破口。

發(fā)現(xiàn)質(zhì)量分布新規(guī)律

“目前已測定質(zhì)量的中子星大多源自雙星系統(tǒng)，即這些中子星擁有一個伴星，類似于地球擁有月球。”論文作者之一、河南省科學(xué)院引力波天文研究所副研究員尤志強介紹，中子星的強大引力會撕裂伴星的部分物質(zhì)，這些物質(zhì)隨后如同被漩渦裹挾一般，被中子星迅速吸入，從而導(dǎo)致中子星質(zhì)量增加，這一過程被稱為吸積。

如何估算因吸積而增加的質(zhì)量，是研究中子星初生質(zhì)量的一大挑戰(zhàn)。“吸積過程極為復(fù)雜，可能持續(xù)數(shù)百萬年，并與中子星及其伴星的特性有關(guān)。確定吸積何時停止，是解決質(zhì)量增加這個難題的關(guān)鍵。”論文作者之一、北京師范大學(xué)文理學(xué)院講師劉小金說。

劉小金介紹，目前國內(nèi)外學(xué)者主要將研究集中于直接觀測到的中子星質(zhì)量分布上，而對中子星的初生質(zhì)量關(guān)注較少，僅有少數(shù)研究對個別脈沖星進行了吸積修正分析。總體而言，缺乏全面統(tǒng)計并扣除吸積效應(yīng)后的中子星初生質(zhì)量分布研究。這正是團隊近年來努力的方向。

早在2019年，團隊研究人員就開始探索中子星的質(zhì)量分布。他們基于銀河系雙中子星的觀測數(shù)據(jù)，判斷吸積和非吸積中子星遵循不同的質(zhì)量模型。

研究的突破源自對另一個問題的探索。2022年，在研究中子星轉(zhuǎn)動速率時，團隊研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中子星質(zhì)量增加時，其轉(zhuǎn)動速率也會變快，但最快轉(zhuǎn)動速率不能超過理論上限。利用中子星轉(zhuǎn)動速率與質(zhì)量之間的關(guān)系模型，研究人員估算出中子星可能增加的質(zhì)量，其與通過經(jīng)驗分析得出的結(jié)果相吻合，這為他們增添了信心。最終，他們發(fā)現(xiàn)了吸積加速的理論上限，并據(jù)此推斷增加的質(zhì)量最多可占總質(zhì)量的兩成。為審慎起見，他們還考察了更多質(zhì)量分布的可能性。

解決這些問題后，團隊發(fā)現(xiàn)中子星的質(zhì)量分布規(guī)律與以往的認識大相徑庭，可能顛覆既有觀念。以往研究認為，中子星依據(jù)質(zhì)量可分為重型與輕型兩類。但該團隊的最新研究表明，中子星質(zhì)量分布可能僅存在一個峰值，并且在1.3至2.4倍太陽質(zhì)量之間按冪律平滑變化，這一規(guī)律與恒星的質(zhì)量分布趨勢相似。

更多謎題有待解開

研究團隊還推測，大質(zhì)量中子星較少的原因可能是其前身恒星更易直接坍縮為黑洞，而不是形成中子星。“這與觀測結(jié)果相吻合，天文學(xué)家在超新星前身恒星中鮮少觀測到大質(zhì)量紅超巨星。”尤志強解釋，紅超巨星是恒星演化到晚期的一種形態(tài)，如果大質(zhì)量紅超巨星在超新星爆發(fā)后更容易直接坍縮成黑洞，那么在觀測中自然就很難看到它們作為中子星的前身存在。

“研究不僅為探索中子星內(nèi)部致密物質(zhì)形態(tài)提供了寶貴觀測證據(jù)，也為理解中子星的形成機制開辟了新視角，有望幫助我們揭示超新星爆發(fā)機制，乃至揭開黑洞形成的神秘面紗。”劉小金說。

銀河系的中子星總數(shù)約有10億顆，但目前被觀測到的僅有4000多顆，其中質(zhì)量被測定的不足百顆。這些有限的數(shù)據(jù)難以全面反映中子星的整體特性。因此，發(fā)現(xiàn)更多中子星或脈沖星并測定其質(zhì)量顯得尤為重要。

“盡管我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些規(guī)律，但這僅僅是‘冰山一角’，還有更多謎題等待我們研究。”尤志強說。

研究中子星質(zhì)量的一個重要目的在于探究其內(nèi)部物質(zhì)形態(tài)。“這種物質(zhì)形態(tài)可能是一種全新形式，超越我們已有認知。理論學(xué)家認為，中子星內(nèi)部可能是純中子，也可能混有超子或者夸克，但要獲得最終的答案還需要更深入的研究。”朱興江說。（記者 宗詩涵）