多管齊下揭示奧秘，中子星物理學的黃金時代已經到來

2023-03-31 13:53:27 1

的多管齊下的方法揭示了這個秘密。中子星物理學的黃金時代已經到來。

科技日報

中子星是宇宙中最神秘的天體之一。密度更大的中子星將進入黑洞。天文學家已經非常清楚它是如何誕生的。然而，它的超緻密核心的結構和它之間的情節仍是未解之謎。此外，對脈衝星和黑洞史詩般「舞蹈」的觀察也讓許多科學家嚮往。

去年12月，美國國家航空航天局的中子星內部成分探測器(NICER)提供了迄今為止中子星質量和半徑的一些最精確的測量結果，以及它的磁場數據。

中國科學院國家天文臺研究員張成敏告訴《科學日報》:「此外，在20世紀20年代以後，大量科學前沿設備將被投入中子星研究。例如，美國和歐洲的引力波觀測站、中國的「天眼」FAST、國際SKA無線電陣列以及高能宇宙射線和中微子將把中子星研究從過去的多波段時代提升到現在的多信使時代。中子星物理學的黃金時代已經到來「

中子星是」他們是誰？「

根據張成敏的說法，中子星是質量介於白矮星和黑洞之間的恆星，它們在超新星爆發後由於重力坍縮而演化到最後階段。當恆星死亡後形成的緻密恆星的質量是太陽質量的1.35到2.1倍時，中子星通常就形成了。當太陽的質量小於1.35倍時，它很可能形成一顆白矮星。當它的質量是太陽的3.2倍時，就會形成一個黑洞。

張成敏說:「中子星是宇宙中密度最大的天體之一，其密度超乎想像。」地球的直徑約為12756公裡。如果地球被壓縮成中子星，它的直徑只有44米，因此顯示出它的密度「

籠罩在濃霧中。

的天文學家認為中子星內的質子和電子在重力的壓縮下會合併形成中子。這也是中子星得名的原因，但這不是最終結論。

張成敏解釋說，天文學家從未近距離見過中子星，地球實驗室無法產生接近其密度的物質。因此，中子星籠罩在霧中。

首先，中子星的內部結構一直是物理學領域未解之謎一些研究人員認為中子佔據了中子星核心的中心，但是其他人認為巨大的壓力會將核心物質擠壓成更奇異的粒子(膠子和夸克)

其次，科學家已經給出了中子星內部的許多腳本:夸克和膠子在其中自由遊動；或者，極端的能量導致一種叫做「超子」的粒子的產生，這種粒子也由三個夸克組成，除了上夸克和下夸克之外，還包括至少一個奇夸克。中子星的中心是玻色-愛因斯坦凝聚，其中所有亞原子粒子的行為就像一個量子力學實體，等等但上述許多情況尚未得到證實。

張成敏繼續解釋道:「此外，中子星仍然覆蓋著許多『神秘面紗』，例如，中子星的磁場是如何形成和演化的。觀測表明，毫秒脈衝星的磁場比常規脈衝星低約10，000倍，其演化的細節是中子星磁場如何工作的秘密。什麼條件決定了中子星的最小和最大磁場？觀察到最快的毫秒脈衝星的旋轉周期只有1.39毫秒，宇宙中還有更快的旋轉嗎？它的速度是如何形成的？更重要的是，還沒有人發現脈衝星和黑洞之間的「雙星舞蹈」。他們在宇宙深處的比例是多少？這是目前中國「天眼」快運所關注的重要科學目標之一。」

張成敏進一步指出:「中子星具有獨特的『特性』，研究它們具有重要意義「

首先，中子星密度很高，其引力場強度大約是地球的1億倍，這超出了牛頓引力理論的範圍，需要由愛因斯坦的廣義相對論來驗證。其次，中子星的超強磁場也是等離子體理論在極端環境中的應用場所。第三，中子星的核心緻密核物質是檢驗各種核物理理論的天然實驗室。此外，脈衝星的精確測量可以用於自主導航，愛因斯坦的引力波預測可以得到驗證等。

張成敏強調:「更重要的是，脈衝星作為旋轉中子星，可以用於多波段觀測實驗——包括地面和空間實驗室，這可以大大提高科學儀器的精度，並為宇宙中的新發現提供載體。」因此，脈衝星和中子星一直是各國天文學家和物理學家積極關注的熱點。根據張成敏的說法，為了揭示中子星的秘密，科學家們發射了更好的太空探測器耗資6200萬美元的NICER於2017年發射，安裝在國際空間站上。它的主要目標是收集脈衝星(旋轉中子星)發出的X射線，這些射線來自脈衝星表面溫度高達數百萬度的熱點。

圖片說明:NEPER圖片來源:英國雜誌《自然》網站

《自然》的一份報告指出，NEPER觀測和其他觀測使天體物理學家能夠確定中子星的質量和半徑，這兩個屬性有助於確定中子星核心中正在展開的故事。第一個目標是編號為J0030+0451的脈衝星。初步觀測結果顯示，這顆「孤立」脈衝星的質量是太陽的1.3或1.4倍，半徑約為13公裡。NICER將繼續觀察它，並進一步提高測量其半徑的精度。

NEGRE團隊希望在未來兩到三年內使用NEGRE來計算其他六個目標的質量和半徑，並將半徑的精度限制在0.5千米以內。有了這個精度，研究人員可以驗證所謂的中子星物質狀態方程，它描述了中子星的質量和半徑(或內壓和密度)之間的關係。

此外，他們還計劃在未來研究至少幾顆大質量脈衝星，包括目前最大質量中子星的記錄保持者:一顆質量是太陽2.14倍的中子星，這將使他們能夠探索中子星的質量上限，即中子星坍縮成黑洞的臨界點

多管齊下揭示秘密

儘管NEBEL目前在觀察中子星方面處於領先地位，但它並不是深入探索脈衝星「心臟」的唯一裝置

2 017年，美國雷射幹涉儀引力波觀測臺(LIGO)和歐洲處女座探測器聯合觀測了兩顆相互融合的中子星產生的引力波，包括中子星的大小和結構信息。同樣，LIGO在2019年4月觀察到了第二次中子星合併事件然而，目前的設備無法在最後一刻觀察到這種情況，此時兩顆中子星的畸變最大，而相關數據可以清楚地揭示中子星的內部情況。《

自然》雜誌稱，日本的「新岡」引力波探測器將於今年晚些時候投入使用。印度的引力波天文臺也將於2024年發射。連同LIGO和處女座，這些設施將提高觀測靈敏度，並可能捕捉中子星和最後一刻的細節。

據張成敏介紹，展望未來，一些儀器設備已經列入計劃。他們也許能夠進行NEBEL和當前引力波觀測站無法進行的觀測活動。例如，預計中國和歐洲將於2027年發射增強型X射線時變和極化空間觀測衛星(eXTP)，以研究分離的中子星和雙星，幫助確定它們的狀態方程此外，「STROBE-X」將使用NICER的熱點技術以更高的精度確定至少20顆中子星的質量和半徑。這座天文臺將於20世紀30年代建成。

張成敏說:「過去，科學家在光子的視野下觀察中子星。後來，他們將在各種宇宙景象下看到中子星的全景。此外，探測精度還伴隨著電子技術、信息技術和人工智慧大數據的不斷升級，從而開啟了一個精細而準確的中子星認知時代。」「

中子星就像宇宙中的「我的淑女」，所謂的伊拉克人是站在水這邊的」。儘管科學家們「追溯到它，道路是漫長而艱難的」，但隨著各種儀器和技術的進步，總有一天會揭開它頭上的面紗。