中子星的内核是什麽样的?科学家「撬开」了它的外壳

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在距离我们3600光年的位置上,有一颗宇宙中的极端星球,它行走在中子星和黑洞的边缘。稍有不慎,就会坍缩成宇宙中最恐怖的天体。

已知最大的中子星

【宇宙科普】中子星的内核是什麽样的?科学家「撬开」了它的外壳

PSR J0740+6620(简称J0740)是迄今为止科学家发现最巨大的中子星,质量大约是太阳的2.1倍。即便它如此之重,但体积却非常小,直径只有20多公里。

它以每秒346次的惊人速度在自转,并且与旁边的一颗白矮星共同组成了一个双星系统。

我们知道,当一颗恒星消逝时,如果它的核心质量超过钱德拉塞卡极限,也就是大约1.44倍太阳质量,那麽它就会坍缩为一颗中子星。如果说超过了奥本海默极限,那麽就会变成宇宙中最恐怖的天体,那就是黑洞。

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那麽,这颗恐怖的天体内部,到底有著怎样的结构呢?这裡到底为何会有如此惊人的密度呢?

中子星的内部结构

早在1934年,科学家就提出了中子星的概念。从理论上讲,当一颗超新星的核心质量超过太阳的1.44倍,内部的电子就无法对抗简并压力,最终与质子融为一体,形成了一个完全由中子构成的天体,因此名为中子星。

即便如此,科学家们还是认为,中子星也是有分层结构的,而非完全是由中子构成的。

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(图片说明:科学家认为,中子星也有複杂的内部结构分层,但是其内部是什麽仍然是个谜)

在中子星的外侧,同样存在著大气层,只不过是由氢、氦等元素构成的。并且,由于中子星引力过于巨大,所以这个大气层被紧紧地吸附在表面,非常薄。 星体的最外层是外壳(qiào),巨大的压力导致电子脱离了原子核,形成了等离子体。而在内壳中,连中子也被压得变成了超流体状态。 到了中子星的核心处,科学家们又将其分为两部分。外核部分的压力也非常巨大,中子和质子分离,同时质子也和电子合併为中子,形成为完全是中子的世界。这裡的中子被恐怖的压力挤在一起,其密度甚至是原子核的2倍,这也是导致中子星拥有恐怖密度的重要原因。

谜之内核

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直到这裡,我们的分析似乎还挺明确的。但到了内核,问题就出现了:这是一个怎样的世界呢?根据传统的中子星模型,科学家们认为,质量较小的中子星,内核处应该同样是大量的中子。可问题在于,如果是像J0740这样的巨型中子星呢?它的压力更为巨大,是否会进一步压缩内核,以至于中子都分裂了呢?

我们知道,中子是由夸克组成的。 理论上来讲,由于夸克禁闭的作用,我们不太可能看到单独存在的夸克。但如果是足够极端的条件,那麽夸克也有可能游离出来,这就是所谓的夸克汤。对于科学家们来说,中子星内部,或许就足够极端,但这个猜想也没有得到证实。

问题在于,中子星距离我们都非常遥远,而且我们也不可能撬开它的地壳与外核,又如何知道它的内部结构呢?

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其实很简单,只要我们测量出它的直径和质量,就能算出密度。如果它的内核是夸克汤,那麽显然比普通中子星密度更高。如果它的密度和小型中子星一样,那就证明它的内核也是同样的中子。

最近,凭藉著新型观测设备的説明,科学家们终于破解了这个谜题。

「撬开」中子星的外壳

为了更好地瞭解中子星这种天体,NASA在2017年的时候在国际空间站上安装了一台强大的观测设备,那就是 中子星内部组成探测器(简称NICER)。它可以对中子星的半径、质量、自转、磁场等各个方面进行探测,帮助科学家获得关于中子星的重要参数,甚至是瞭解这种极端天体的内部结构。

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为了从最大的精度上对中子星的尺寸进行测量,NASA的科学家们选择了中子星中特殊的一种,那就是脉衝星。脉衝星的特点就是可以向宇宙中发射强大的脉衝,并且在高速自转的条件下,就像是宇宙中的灯塔一样引人注意。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们,质量是可以扭曲时空的。当光线途径被大质量天体扭曲的时空时,就会被重新导向,这就是 引力透镜效应。同样的,脉衝星也可以起到类似的效果,而且这会导致我们看到的脉衝星显得更大了。同样质量的天体,密度越大,扭曲的程度也越明显,以至于脉衝星所发出来X射线都会受到影响。

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此前,科学家们已经得到了J0740的质量资料。只要通过光线的扭曲程度计算出它的半径,就可以知道它的密度了。

在这次研究中,一共有两个小组利用两种不同的方法对其直径进行了模拟,其中阿姆斯特丹大学的博士后研究员Thomas Riley和天体物理学教授Anna Watts的团队得到的结果是24.8公里左右,而马里兰大学学院公园分校的天文学教授Cole Miller的团队得到的结果是27.4公里左右。双方在不确定性范围内取了重叠的区间,也就是24.4-32.6公里之间。

然后,他们与此前的其他脉衝星进行了对比。

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2019年时,Riley和Miller曾经带领一支团队对一颗名为J0030+0451的脉衝星进行了测量,发现其质量是太阳的1.4倍(基本是最小的脉衝星),直径为26公里。

如今的研究发现,两颗脉衝星在质量和尺寸上的差距,不足以解释可能存在的夸克汤状态。

相应的,最近的一些新理论模型,或许可以解释中子星内核的状态。有科学家认为,那裡可能是中子、质子以及夸克或新的夸克组合的粒子所杂糅在一起的複杂状态。不过,关于中子星的内核,仍然有待于NICER更多的观测资料来进行支撑。同样的,J0740未来会不会变成黑洞,也有待于进一步的研究。

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在此之前,科学家们还尝试过通过引力波对两颗碰撞的中子星进行观测和分析,来瞭解其内部结构。儘管中子星是如此极端的天体,但科学家还是能够找到各种方法来瞭解它的内部结构。相信未来的一天,黑洞的秘密也将被我们知晓。

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