由馬克斯·普朗克引力物理研究所，阿爾伯特·愛因斯坦研究所（AEI）科學家領導的一個國際研究小組，最新獲得了關於中子星有多大的新測量結果。為此，科學家將對中子星物質未知行為的一般第一原理描述與雙中子星合併GW170817的多信使觀測相結合，其研究成果發表在《自然天文學》期刊上，比之前的約束嚴格了兩倍，典型的中子星半徑接近11千米。

研究還發現，在大多數情況下，與黑洞合併的中子星可能會被整個吞噬，除非黑洞很小或旋轉很快。這意味著，雖然這種合併可能作為引力波源是可以觀測到的，但它們在電磁光譜中是看不見的。研究的主要作者、阿爾伯特·愛因斯坦研究所研究員科林·卡帕諾說：雙星中子星合併是資訊的金礦！除黑洞外，中子星包含可觀測宇宙中密度最大的物質。事實上，它們是如此的緻密和體積微小：

以至於可以把整個中子星想象成一個單原子核，放大到一座城市的大小。通過測量這些天體的性質，科學家了解了在亞原子水平上支配物質的基本物理。阿爾伯特·愛因斯坦研究所、研究小組的負責人巴德里·克里希南(Badri Krishnan)說：我們發現，典型中子星品質大約是太陽的1.4倍，半徑約為11千米，而新研究結果將半徑限制在10.4~11.9千米之間，這是比之前結果更嚴格的兩個因素，也更加精確！

天體物理寶庫之雙中子星合併

中子星是一種緻密的超新星爆炸殘骸，中子星的大小大約相當於一座城市大小，其品質範圍在1.44倍太陽品質以上（白矮星的最大品質極限，稱為錢德拉塞卡極限）、3.2倍太陽品質以下（中子星的最大品質極限，稱為奧本海默極限）。這種中子含量豐富、密度極高的物質行為尚不清楚，在地球上的任何實驗室都不可能創造出這樣的條件。

（上圖所示）一顆典型半徑為11公里的中子星大約相當於一座中型城市的大小。圖片：NASA's Goddard Space Flight Center

物理學家們提出了各種模型（狀態方程），但尚不清楚這些模型中有哪些（如果有的話）能正確描述自然界中的中子星物質。雙中子星的合併：例如2017年8月在引力波和整個電磁譜中觀察到的GW170817，是最令人興奮的天體物理事件之一。因為它可以更多地了解極端條件下的物質和潛在的核物理，由此，科學家可以反過來確定中子星的物理屬性，如它們的半徑和品質。

研究小組使用了一個基於第一原理描述的模型，該模型描述了亞原子粒子如何在中子星內發現的高密度下相互作用。值得注意的是：長度尺度小於萬億分之一毫米的理論計算，可以與對超過1億光年的天體物理物件觀測進行比較。這有點令人難以置信，GW170817是由1.2億年前兩個城市大小的天體相撞引起，當時恐龍正在地球上行走，從那以後，科學家對亞原子物理有了更多的洞察。

中子星有多大？

科學家使用第一原理描述預測了中子星一整套可能的狀態方程，這些方程直接來自核物理。從這整套中，研究人員選擇了最有可能解釋不同天體物理觀測的成員：

1）這與來自公共LIGO和Virgo引力波天文臺資料的GW170817引力波觀測結果一致；

2）作為合併的結果，它們產生了一顆短壽命的超大品質中子星；

3）這與GW170817電磁波段對應觀測對中子星最大品質的已知約束一致；

這不僅使研究人員獲得了關於緻密物質物理的可靠資訊，而且還獲得了迄今為止對中子星大小的最嚴格限制。

未來的引力波和多信使觀測

研究的合著者、阿爾伯特·愛因斯坦研究所的博士生斯蒂芬妮·布朗(Stephanie Brown)表示：這些結果令人興奮，不僅因為我們能夠極大地完善中子星半徑的測量，還因為它給了我們一個視窗，讓我們了解中子星在合併雙星過程中的最終命運。新的結果意味著：有了像GW170817這樣的事件，處於設計靈敏度的LIGO和室女座引力波探測器將能夠很容易地從引力波中區分出是兩顆中子星還是兩個黑洞的合併。

對於GW170817來說，電磁光譜中的觀測，對於做出這樣的區分是至關重要的。研究小組還發現，對於混合雙星（一顆與黑洞合併的中子星），僅靠引力波合併觀測將很難將此類事件與雙星黑洞區分開來，合併後的電磁譜和引力波觀測將是區分它們的關鍵。然而，事實證明，新研究結果也暗示了混合雙星合併的多信使觀測不太可能發生。研究已經證明，在幾乎所有的情況下，中子星都不會被黑洞撕裂被我們觀測到，而是會被整個吞噬。

光明的未來在前方

只有當黑洞非常小或旋轉很快時，它才能在吞噬中子星之前破壞它；只有這樣，才能預期看到引力波以外的任何東西。在接下來的十年裡，現有引力波探測器將變得更加靈敏，更多的探測器將開始觀測。研究小組預計會有更多非常“響亮”的引力波被探測到，並可能從合併的雙星中子星中觀測到更多多信使訊號。這些合併中的每一次，都將提供極好的機會來了解更多關於中子星和核物理的知識。

參考期刊《自然天文學》

DOI: 10.1038/s41550-020-1014-6