从死亡恒星“金蝉脱壳”的最大中子星

德国歌德大学的科学家开发了一个新的物理模型，他们利用新的物理模型重新测算了中子星的大小，引力波的观测数据被注入到了模型的约束条件，帮助天体物理学家设定了中子星尺寸的上限值，比过去的此类估算更为精确。中子星是宇宙中质量极为致密的天体，质量相当于我们的太阳，但中子星的尺寸相当于全球一个主要城市的大小。天体物理学家对一个问题产生了困惑，中子星的外形是像一个条带状的洛杉矶，还是像一个紧凑的旧金山？中子星的精确外形一直在科学家的估算能力之外。

歌德大学的研究人员引入了引力波的观测数据，科学家检测了两个中子星的合并事件，天文学家将合并的中子星标记为GW170817。大质量的中子星被压缩在极小的体积内，一旦超过了中子星的物质密度，它们将继续塌缩为一个宇宙的“王者”——黑洞。研究人员利用中子星质量的临界点限定了中子星大小的范围。歌德大学位于德国的法兰克福，《物理学评论通讯》杂志近日发表了歌德大学理论物理研究所的一项研究成果，研究人员通过新的模型和参数计算了中子星的大小，它们的直径在12公里至13.5公里之间或在7.4英里至8.4英里之间。

由于存在两种不同的解决方案，在计算中子星的大小时出现了两个不同的结果。更加致密的中子星发生了机制不明的相变，有可能出现超致密性的中子星，这类中子星的尺寸变得更小。中子星有时也被称为脉冲星，它们是大质量的老年恒星毁灭后的遗骸，这类恒星到达了生命周期的最后阶段，以发生剧烈爆发的方式走向死亡，在死亡恒星的中心留下了一颗体积极为狭小的中子星。当恒星的质量达到了相当于太阳质量的10到30倍时，它们在死亡过程中将会转变为一颗中子星。科学家过去一直认为，中子星的直径大约为20公里，在极其狭小的体积内塞入了一颗质量大于太阳的中子星，它们的物质密度大大超过了普通的天体。

西班牙的加泰罗尼亚技术大学(UPC) 和加拉利群岛的天体物理研究所 (IAC) 组成了联合的科学团队，团队成员精确地测量了一颗中子星的质量，它是一颗迄今为止被认为是质量最大的一颗中子星，天文学家将它标记为 PSR J2215+5135，这颗中子星的质量相当于太阳的2.3倍。2011年，天文学家发现了这颗创造了质量“吉尼斯纪录”的中子星。到目前为止，总共发现了2000多颗中子星，天文学家在2011年发现了质量最大的中子星，当时测量的中子星的质量为太阳的2.4倍，而在2010年和2013年公布的这颗中子星的质量为太阳的2倍。

联合科学团队的成员使用了加拉利亚斯大望远镜 (GTC),的观测数据，这是世界上最大的光学和红外线望远镜之一，他们使用了威廉·赫歇尔望远镜 (WHT)、伊萨克·牛顿望远镜组 (ING) 和 IAC-80望远镜收集的数据，应用了双星系的动力学模型，《天体物理学》杂志发表了联合科学团队对最大中子星质量的计算结果。中子星PSR J2215+5135是双星系中的一颗，它和伴随的恒星围绕它们的质量中心旋转，一颗正常运行的伴随恒星受到了中子星强烈的辐射。主中子星的质量越大，伴随的恒星在轨道上的旋转速度越快。

天文团队应用了氢原子和镁原子的光谱线，测量了伴随性恒星的旋转速度，团队成员第一次测量了伴随恒星的“双面速度”，当恒星的一面受到中子星的辐射时，在恒星的背面形成了阴蔽，研究人员利用伴随恒星的旋转速度计算了中子星的质量，精确的计算结果显示，这颗中子星的质量相当于太阳的2倍多。天文团队开发了在一个紧凑的双星系中测量一颗中子星质量的方法，测算的结果比过去的更为精确。联合天文团队采用的方法同样适用于其它的双中子星系。

在过去的10年，费米—LAT和美航局的伽马射线望远镜已经发现了数十个与 PSR J2215+5135相似的脉冲星，天文团队采用的方法在原则上适用于对黑洞和白矮星质量的测量，黑洞、白矮星和中子星都是大质量的死亡恒星留下的遗物，它们同样存在于和中子星相似的双星系之中。大于太阳质量30倍的死亡恒星将会形成黑洞，小于太阳质量10倍的死亡恒星将会形成白矮星。对于天体物理学的很多研究领域而言，确定中子星的质量十分重要，对天体物理学和原子核物理学有同样的科学价值。

中子和质子构成了原子和原子内的原子核，质子和中子或核子的相互作用发生在中子星内物质密度非常高的环境中，这是今日物理学最大的神秘性之一。中子星好似一个天然的物理实验室，科学家在中子星的环境中研究了超越人们想象的极为致密和奇异的物质形态。西班牙联合天文团队的研究成果支持了一种观点，2.3倍太阳质量的中子星形成了强大的引力，中子星内的物质粒子必然有足够大的抵御力或斥力，中子星的引力和斥力最终实现了平衡，这意味着人们不太可能在中子星的中心区域发现自由态的夸克和其它的奇异物质态。

（编译：2018-6-27）