【原】一立方厘米重一億噸，中子星的內(nèi)核會被壓成什么樣？

姿勢分子_ 2021-04-21

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在距離我們3600光年的位置上，有一顆宇宙中的極端星球，它行走在中子星和黑洞的邊緣。稍有不慎，就會坍縮成宇宙中最恐怖的天體。

已知最大的中子星

PSR J0740+6620（簡稱J0740）是迄今為止科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最巨大的中子星，質(zhì)量大約是太陽的2.1倍。即便它如此之重，但體積卻非常小，直徑只有20多公里，如果把一頭放在天安門，另一頭可能連香山公園都碰不到。

它以每秒346次的驚人速度在自轉(zhuǎn)，并且與旁邊的一顆白矮星共同組成了一個雙星系統(tǒng)。

我們知道，當(dāng)一顆恒星死亡時，如果它的核心質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限，也就是大約1.44倍太陽質(zhì)量，那么它就會坍縮為一顆中子星。如果說超過了奧本海默極限，那么就會變成宇宙中最恐怖的天體，那就是黑洞。

那么，這顆恐怖的天體內(nèi)部，到底有著怎樣的結(jié)構(gòu)呢？這里到底為何會有如此驚人的密度呢？

中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

早在1934年，科學(xué)家就提出了中子星的概念。從理論上講，當(dāng)一顆超新星的核心質(zhì)量超過太陽的1.44倍，內(nèi)部的電子就無法對抗簡并壓力，最終與質(zhì)子融為一體，形成了一個完全由中子構(gòu)成的天體，因此名為中子星。

即便如此，科學(xué)家們還是認(rèn)為，中子星也是有分層結(jié)構(gòu)的，而非完全是由中子構(gòu)成的。

（圖片說明：科學(xué)家認(rèn)為，中子星也有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分層，但是其內(nèi)部是什么仍然是個謎）

在中子星的外側(cè)，同樣存在著大氣層，只不過是由氫、氦等元素構(gòu)成的。并且，由于中子星引力過于巨大，所以這個大氣層被緊緊地吸附在表面，非常薄。
星體的最外層是外殼（qiào），巨大的壓力導(dǎo)致電子脫離了原子核，形成了等離子體。而在內(nèi)殼中，連中子也被壓得變成了超流體狀態(tài)。
到了中子星的核心處，科學(xué)家們又將其分為兩部分。外核部分的壓力也非常巨大，中子和質(zhì)子分離，同時質(zhì)子也和電子合并為中子，形成為完全是中子的世界。這里的中子被恐怖的壓力擠在一起，其密度甚至是原子核的2倍，這也是導(dǎo)致中子星擁有恐怖密度的重要原因。

謎之內(nèi)核

直到這里，我們的分析似乎還挺明確的。但到了內(nèi)核，問題就出現(xiàn)了：這是一個怎樣的世界呢？根據(jù)傳統(tǒng)的中子星模型，科學(xué)家們認(rèn)為，質(zhì)量較小的中子星，內(nèi)核處應(yīng)該同樣是大量的中子。可問題在于，如果是像J0740這樣的巨型中子星呢？它的壓力更為巨大，是否會進(jìn)一步壓縮內(nèi)核，以至于中子都分裂了呢？

我們知道，中子是由夸克組成的。理論上來講，由于夸克禁閉的作用，我們不太可能看到單獨(dú)存在的夸克。但如果是足夠極端的條件，那么夸克也有可能游離出來，這就是所謂的夸克湯。對于科學(xué)家們來說，中子星內(nèi)部，或許就足夠極端，但這個猜想也沒有得到證實(shí)。

問題在于，中子星距離我們都非常遙遠(yuǎn)，而且我們也不可能撬開它的地殼與外核，又如何知道它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？

其實(shí)很簡單，只要我們測量出它的直徑和質(zhì)量，就能算出密度。如果它的內(nèi)核是夸克湯，那么顯然比普通中子星密度更高。如果它的密度和小型中子星一樣，那就證明它的內(nèi)核也是同樣的中子。

最近，憑借著新型觀測設(shè)備的幫助，科學(xué)家們終于破解了這個謎題。

“撬開”中子星的外殼

為了更好地了解中子星這種天體，NASA在2017年的時候在國際空間站上安裝了一臺強(qiáng)大的觀測設(shè)備，那就是中子星內(nèi)部組成探測器（簡稱NICER）。它可以對中子星的半徑、質(zhì)量、自轉(zhuǎn)、磁場等各個方面進(jìn)行探測，幫助科學(xué)家獲得關(guān)于中子星的重要參數(shù)，甚至是了解這種極端天體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

為了從最大的精度上對中子星的尺寸進(jìn)行測量，NASA的科學(xué)家們選擇了中子星中特殊的一種，那就是脈沖星。脈沖星的特點(diǎn)就是可以向宇宙中發(fā)射強(qiáng)大的脈沖，并且在高速自轉(zhuǎn)的條件下，就像是宇宙中的燈塔一樣引人注意。

愛因斯坦的廣義相對論告訴我們，質(zhì)量是可以扭曲時空的。當(dāng)光線途徑被大質(zhì)量天體扭曲的時空時，就會被重新導(dǎo)向，這就是引力透鏡效應(yīng)。同樣的，脈沖星也可以起到類似的效果，而且這會導(dǎo)致我們看到的脈沖星顯得更大了。同樣質(zhì)量的天體，密度越大，扭曲的程度也越明顯，以至于脈沖星所發(fā)出來X射線都會受到影響。

此前，科學(xué)家們已經(jīng)得到了J0740的質(zhì)量數(shù)據(jù)。只要通過光線的扭曲程度計(jì)算出它的半徑，就可以知道它的密度了。

在這次研究中，一共有兩個小組利用兩種不同的方法對其直徑進(jìn)行了模擬，其中阿姆斯特丹大學(xué)的博士后研究員Thomas Riley和天體物理學(xué)教授Anna Watts的團(tuán)隊(duì)得到的結(jié)果是24.8公里左右，而馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園分校的天文學(xué)教授Cole Miller的團(tuán)隊(duì)得到的結(jié)果是27.4公里左右。雙方在不確定性范圍內(nèi)取了重疊的區(qū)間，也就是24.4-32.6公里之間。

然后，他們與此前的其他脈沖星進(jìn)行了對比。

2019年時，Riley和Miller曾經(jīng)帶領(lǐng)一支團(tuán)隊(duì)對一顆名為J0030+0451的脈沖星進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量是太陽的1.4倍（基本是最小的脈沖星），直徑為26公里。

如今的研究發(fā)現(xiàn)，兩顆脈沖星在質(zhì)量和尺寸上的差距，不足以解釋可能存在的夸克湯狀態(tài)。

相應(yīng)的，最近的一些新理論模型，或許可以解釋中子星內(nèi)核的狀態(tài)。有科學(xué)家認(rèn)為，那里可能是中子、質(zhì)子以及夸克或新的夸克組合的粒子所雜糅在一起的復(fù)雜狀態(tài)。不過，關(guān)于中子星的內(nèi)核，仍然有待于NICER更多的觀測數(shù)據(jù)來進(jìn)行支撐。同樣的，J0740未來會不會變成黑洞，也有待于進(jìn)一步的研究。