中子星有多大？

跳到主要内容中子星可以说是宇宙中最奇怪的物体。它们诞生于大质量恒星的死亡，它们结合了强大的重力、温度和密度，比我们在实验室中能制造出的任何东西都要高。

虽然我们对中子星已经了解了大半个世纪，但天体物理学家们仍然不能完全确定它们有多大。这种不确定性与另外两个悬而未决的问题有关：中子星中间有什么，以及它们能增长到多大质量？

我们知道它们相对较小：研究人员估计，一颗质量是太阳1.4倍的中子星的半径将在8至16公里之间。相比之下，太阳的半径约为43.3万公里。

即使是普通的恒星也太小了，除了我们最强大的望远镜中的光点之外，不可能是其他任何东西，所以直接测量中子星的大小是没有希望的。

然而，天体物理学家非常擅长间接测量。目前的研究将多种类型的电磁(基于光)观测与实验室工作和理论模型相结合。因此，尽管可能的半径值范围相对较大(相当于一个人说它们在4到8英尺高之间)，但对中子星结构的每一次测量和每一种合理的理论都给出了一个在这个范围内的大小估计。

但是天体物理学家能做得更好吗？他们会这么说，因为他们有帮助：引力波天文台LIGO和Virgo，以及中子星内部成分探测器(NICER)，这是国际空间站上的一个X射线天文台，致力于研究中子星的结构。

阿姆斯特丹大学的中子星天体物理学家安娜·瓦茨(Anna Watts)说：“你看到的是引力波观测和电磁观测的美丽结合，通常采用的是截然不同的技术。”“目前，这是一个有趣的领域！”

今年早些时候发表的一项研究将对碰撞的双中子星系统GW170817的引力波观测(2017年8月17日探测到)与电磁观测和核物理相结合。这项研究发现，一颗1.4太阳质量的中子星的半径在10.4到11.9公里之间，比其他估计值有了实质性的改善。

GW170817的电磁辐射来自“基诺瓦”：中子星合并时核反应产生的高能光的爆发。天文学家用横跨从伽马射线到射电的电磁光谱的望远镜研究了基罗诺瓦。这些独立观测中的每一个都提供了关于GW170817不同方面的信息。

汉诺威莱布尼兹大学的天体物理学家斯蒂芬妮·M·布朗(Stephanie M.Brown)说：“当两颗中子星合并时，它们会在合并前喷射出大量物质，这与碰撞后的天体类型有关。”基于抛射物质发出的光、引力波特征和核物理计算，布朗和他的合作者计算出了一个与所有独立测量结果一致的半径。

因为中子星很复杂，所以需要如此多的数据。根据我们的最好理解，当一颗大质量恒星变成超新星时，它的核心会在重力作用下坍塌，压缩物质，直到单个核溶解成一团核粒子-主要是中子，但也可能是质子，甚至是单个夸克。

“有不同的(可能的)组成，有不同的描述粒间力的方式，有各种各样有趣的理论可能性，你可以想出，”瓦茨说。“你想要对不同的中子星进行多次观测，使用多种不同的技术来交叉验证这些不同的(理论)。”

中子星内部可能有两个或更多的独立区域，这些区域由内部不断增加的密度和压力决定，类似于地球的塑料地幔和熔融的核心。这个内部的数学描述被称为“状态方程”，它将质量与半径联系起来，并确定中子星的最大质量。

天体物理学家不知道完整的状态方程，但这也不是一张白纸。中子星的大小完全由引力和核力决定，与我们的太阳这样的普通恒星不同，普通恒星的大小在它们的一生中会发生很大的变化。中子星在正常情况下是完美的球形，否则它们在旋转时会发出可探测到的引力波。然而，在像GW170817这样的碰撞过程中，强大的相互引力会使它们变形。这称为潮汐变形性，这是由状态方程决定的另一个性质。

尽管实验室无法重现中子星内部的高密度和高压力，但天体物理学家可以从显示相关核粒子如何相互作用的低密度核实验中推断出来。伴随着一个强大的理论模型，称为手征有效场理论，这些实验结果围绕着可能的状态方程设定了边界。

布朗说：“你从一颗双中子星得到引力波的形式，然后你使用贝叶斯参数估计来得到你的半径，你的质量，你的自旋，以及潮汐变形性。”

结果是：考虑到中子星的质量，得到了迄今最精确的中子星半径估计。

基于一个系统的结论在科学上是不够的，但到目前为止，大自然还没有提供另一次既有引力波又有千诺瓦信号的中子星碰撞。

值得庆幸的是，NICER不需要中子星相撞，甚至不需要处于双星系统中。这个天文台测量来自中子星系统的X射线波动和光谱，包括被称为脉冲星的快速旋转的例子，脉冲星产生紧密的光束，在望远镜上看起来像是规则的闪光。

这些闪光可能是由落在中子星上的物质产生的，这可能会提供有关半径的信息。它们也出现在远离碰撞的双星系统中，例如首次证明引力波存在的赫尔斯-泰勒双星脉冲星。

尼斯对GW170817的研究结果与布朗团队的结论不符。基于更好的数据中的不确定性，这不是一个大问题，但布朗和瓦茨都认为它值得关注。

布朗说：“如果更好的结果与我们的结果一致，那就太好了。”她将潜在的冲突与目前困扰宇宙学的宇宙膨胀率的不同测量方法进行了比较。

与此同时，瓦茨怀疑这种差异可能与基罗诺瓦的观测结果有关。不是说他们错了，而是可能有未知的系统学：理解仪器或建模偏差的棘手问题，这些偏差可能会影响分析原始数据以从复杂系统中提取测量结果的结果。

“你必须非常小心，不要让你重新推断的东西不是你一开始放在那里的东西，”她说。“最终，如果你想把所有这些不同的测量放在一起，你必须了解状态方程的性质，以及当你开始将它与数据进行比较时，它会发生什么。”

现在还为时过早；瓦茨和布朗都将继续关注新的结果。

有趣的是，2020年6月宣布的一个引力波系统可能会让事情变得复杂，也可能会让事情变得清晰：GW190814涉及一个黑洞与一个未知的2.6太阳质量的天体合并。这种质量的东西太轻了，不可能是黑洞，千诺瓦观测似乎表明中子星不会变得那么大。然而，根据瓦茨的说法，目前更好的结果允许2.6太阳质量的中子星，这将使GW190814不是问题。

无论结果如何，天体物理学家在测量非常微小的物体方面都取得了巨大的进步，这要归功于他们的多面手和跨学科的方法。有了更多更好的引力波测量，中子星到底有多大，以及它们是由什么组成的这个谜团最终可能被解开。

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