中子星是宇宙間最神秘的天體之一，天文學家目前已了解其如何誕生，但其超致密內(nèi)核的結(jié)構(gòu)及其將上演何種劇情，仍是未解之謎。

今年6月初，芬蘭科學家在最新一期《自然·物理學》雜志撰文指出，他們已經(jīng)找到有力證據(jù)，證明迄今最大中子星內(nèi)核存在奇異的夸克物質(zhì)，將籠罩在中子星頭上的“神秘面紗”又揭開了一層。

無獨有偶，去年12月，美國國家航空航天局的“中子星內(nèi)部成分探測器”（NICER）提供了一些有關(guān)中子星質(zhì)量和半徑迄今最精確測量結(jié)果，包括其磁場的數(shù)據(jù)。

中國科學院國家天文臺研究員張承民對科技日報記者介紹說：“本世紀20年代后將有大批科學前沿裝置投入到中子星的研究，比如美國和歐洲的引力波天文臺、中國‘天眼’FAST、國際SKA射電陣列等，將中子星研究從過去的多波段時代升級到當今的多信使時代，中子星物理學的黃金時代已經(jīng)到來?！?/p>

中子星密度之大超乎想象

據(jù)張承民介紹，中子星是大質(zhì)量恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸后生成的質(zhì)量介于白矮星和黑洞之間的星體。當一顆恒星死亡后形成致密星的質(zhì)量為太陽質(zhì)量1.35到2.1倍時，常會形成中子星；小于太陽質(zhì)量1.35倍時，很可能形成白矮星；大于太陽質(zhì)量3.2倍時，則會形成黑洞。

張承民說：“中子星是宇宙中最致密的天體之一，其密度之大超乎想象。地球直徑約為12756公里，如果把地球壓縮為一顆中子星，那么其直徑僅為44米，由此可見其密度之大。”

中子星身上迷霧重重

天文學家認為，在引力擠壓下，中子星內(nèi)部的質(zhì)子和電子會交融形成中子，這也是中子星得名的緣由，但這并非最終結(jié)論。

張承民解釋道，天文學家從來沒有近距離透視過中子星，地球試驗室也無法制造出接近其密度的物質(zhì)，因而，中子星身上迷霧重重。

首先，中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直是物理學領(lǐng)域的重大未解之謎。一些研究人員認為，中子星內(nèi)核中心位置由中子霸占，但其他人則表示，巨大的壓力會將內(nèi)核物質(zhì)擠壓成更奇特的顆粒（膠子和夸克）。

其次，對于中子星內(nèi)部上演的劇情，科學家給出了不少劇本：夸克和膠子在其間自由游弋；或者，極端能量導致名為“超子”的粒子產(chǎn)生，超子也由三個夸克組成，除上下夸克，至少還包含一個奇夸克；中子星中央是玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，在這種物質(zhì)狀態(tài)中，所有亞原子粒子的“行為”都像單個量子力學實體等等。但以上諸多情節(jié)都未曾獲得證實。

張承民解釋道：“中子星頭上還蒙著不少‘神秘面紗’，例如，中子星的磁場是如何形成和演化的，觀測發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星的磁場比常規(guī)脈沖星的磁場低約10000倍，其演化細節(jié)是打開中子星磁場工作的奧秘；中子星的最小磁場和最大磁場由什么條件決定？觀測看到最快毫秒脈沖星的轉(zhuǎn)動周期僅1.39毫秒，那么，宇宙間是否存在更快的轉(zhuǎn)動？其速度如何形成？更重要的是，迄今還沒有人發(fā)現(xiàn)脈沖星與黑洞的‘雙星之舞’，它們在宇宙深處存在的比率是多少？這些也是目前中國‘天眼’FAST關(guān)注的重要科學目標之一?！?/p>

張承民指出：“中子星‘性格’獨特，研究它具有重要意義?！?/p>

首先，中子星高度致密，其引力場強度比地球高約億倍，超越了牛頓引力理論范圍，需要借助愛因斯坦廣義相對論來驗證；其次，中子星的超強磁場也是等離子體理論在極端環(huán)境的應用場所；再次，中子星的核心致密核物質(zhì)是檢驗各種核物理理論的天然實驗室； 另外，脈沖星精準測量可用于自主導航，還可以驗證愛因斯坦的引力波預言，等等。

張承民強調(diào)說：“脈沖星作為轉(zhuǎn)動中子星，可進行多波段觀測實驗，可大力提升大科學裝置的精密程度，也能為宇宙新發(fā)現(xiàn)提供載體。所以，脈沖星和中子星一直是各國天文學家和物理學家積極關(guān)注的熱點?！?/p>

NICER欲管窺中子星

據(jù)張承民介紹，為揭示中子星的秘密，科學家發(fā)射了NICER空間探測器，主要目標是收集脈沖星（旋轉(zhuǎn)中子星）發(fā)出的X射線。

《自然》雜志的報道指出，NICER觀測結(jié)果和其他觀測結(jié)果使天體物理學家能確定中子星的質(zhì)量和半徑，而這兩個屬性可以幫助確定中子星內(nèi)核正在上演什么故事。

NICER的首個目標是編號J0030 + 0451的脈沖星，初步觀測結(jié)果表明，這顆“孤獨”脈沖星的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.3或1.4倍，半徑約為13公里。NICER將繼續(xù)對其展開觀測，進一步提高測量其半徑的精度。

NICER團隊希望未來兩三年能使用NICER計算出另外六個目標的質(zhì)量和半徑，并將其半徑的精度限制在0.5公里以內(nèi)。在此精度下，研究人員可以驗證所謂的中子星物質(zhì)狀態(tài)方程，該方程描述了中子星的質(zhì)量與半徑（或內(nèi)部壓力與密度）的關(guān)系。

此外，他們還計劃未來至少研究幾顆大質(zhì)量脈沖星，包括目前最大質(zhì)量中子星記錄保持者——一個為太陽質(zhì)量2.14倍的中子星，這將使他們探究出中子星的質(zhì)量上限，即中子星坍塌成黑洞的臨界點。

多管齊下拓寬對中子星認知

盡管在觀測中子星方面，NICER目前一馬當先，但它并非唯一內(nèi)部深入探究脈沖星“內(nèi)心”的設(shè)備。

2017年，美國激光干涉儀引力波天文臺（LIGO）與歐洲的“室女座”（Virgo）探測器攜手，觀測到兩顆彼此并合的中子星產(chǎn)生的引力波，其中包含有關(guān)中子星大小和結(jié)構(gòu)的信息。無獨有偶，2019年4月，LIGO觀測到第二次中子星并和事件。但當前設(shè)備無法觀測到并和最后一刻的情況，那時兩顆中子星的扭曲最大，相關(guān)數(shù)據(jù)能清楚揭示中子星的內(nèi)部情況。

《自然》雜志稱，日本的“神岡”引力波探測器將于今年晚些時候投入使用；印度的引力波觀測天文臺也將于2024年啟動，這些設(shè)施與LIGO和Virgo強強聯(lián)手，將提高觀測靈敏度，并有可能捕獲中子星并和最后時刻的細節(jié)。

據(jù)張承民介紹，放眼未來，一些儀器設(shè)備已列入計劃，它們或許可以開展NICER和目前的引力波觀測站無法進行的觀測活動。例如，中國和歐洲預計將于2027年發(fā)射“增強型X射線時變與偏振空間天文臺”衛(wèi)星，研究單獨中子星及雙星中子星，幫助確定它們的狀態(tài)方程。另外，“寬帶能量X射線光譜時間分辨天文臺”將使用NICER的熱點技術(shù)，以更高精度確定至少20個中子星的質(zhì)量和半徑，這一天文臺擬于本世紀30年代發(fā)射。

張承民說：“過去科學家在光子的視線下觀察中子星，以后將在各種宇宙視線下查看中子星的全景，并且探測精度也伴隨電子技術(shù)、信息技術(shù)及人工智能大數(shù)據(jù)不斷升級，開拓出精細與精準的中子星認知時代。”