中子星到底有多大？

一個國際研究團隊結合引力波，多信使天文學和核物理，利用這樣一種全新的方法計算得到了迄今為止最精確的中子星大小

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）成員領導的國際研究團隊獲得了關於中子星大小的新測量方法。 為此，它們結合了對中子星的未知行為的一般性第一性原理和對雙中子星合併GW170817的多信使觀測。 現在，他們的研究結果出現在的 《自然天文學》中，其嚴格程度比以前的標準高了兩倍，並且表明典型的中子星的半徑接近11公里。他們還發現，在大多數情況下，帶有黑洞的中子星可能會被整個吞噬，除非黑洞很小並且/或者快速旋轉。這意味著在這種合併可能被視為引力波源的情況下，它們在電磁波譜中是不可見的。

美國國家航空航天局漢諾威分校研究員和自然天文學研究的主要作者科林·卡帕諾說：“二元中子星合併是資訊的金礦”！“中子星包含可觀察到的宇宙中最稠密的物質。 實際上，它們是緻密而緊湊的，您可以將整個星形視為單個原子核，並按比例放大到一個城市的大小。 通過測量這些物件的屬性，我們可以了解在亞原子級進行管理的基本物理原理。”

阿爾伯特·愛因斯坦研究所漢諾威研究團隊的領導人巴德里·克里希南說：“我們發現典型的中子星大約是我們太陽的1.4倍，半徑約為11公里”，“我們的結果將半徑限制在10.4公里到11.9公里之間，這是比以前的結果嚴格的兩個重要因素。”

中子星是天文學家可以直接觀察到的最稠密的東西，根據新的發現，可以將近半數的地球品質撞擊到整個22公里的地球上。此插圖將中子星的大小與漢諾威市進行了比較，漢諾威位於德國，是阿爾伯特·愛因斯坦研究所漢諾威的故鄉。

雙中子星合併成為天體寶藏的寶庫。

中子星是緊湊的，它是超新星爆炸的殘餘物。它們大約是一個城市的大小，是我們太陽品質的兩倍。如何富含中子物質的極端緻密性是未知的，並且不可能在地球上的任何實驗室中建立此類條件。物理學家提出了各種模型（狀態方程），但是這些模型的正確描述自然界中的中子星（如果有的話）是未知的。

兩顆令人振奮的中子星合併的數字相關性模擬。高密度顯示為橘紅色，低密度顯示為藍色。

數字相關性模擬：迪特里希（T.Dietrich）（馬克斯·普朗克引力物理研究所） 和BAM合作；科學視覺化：迪特里希，奧索科(S.Ossokine)，法伊弗(H.Peiffer)，布諾南諾(A.Buonanno)（馬普引力物理研究所）。兩顆中子星的合併是最令人振奮的天體物理事件，通過它能近一步探測到更多的極端條件和核物理基礎。例如GW170817，在2017年八月份它被觀測到了引力波的波動和整段電磁波譜的圖譜。由此科學家們能夠依次探測出中子星的物理構成，比如它們的半徑和品質。

研究團隊使用了一個基於第一原理的描述的模型，該模型描述了亞原子粒子在中子星內部的高密度下是如何相互作用的。據團隊展示，在長度的理論計算中，數億光年以外所觀測的天體物理物件僅有驚人的萬億分之一毫米。

“這有些不可思議，”卡普亞（Capano）說，“GW170817是1200萬年前恐龍遍佈地球的時候，在十萬億公里外的星系中，由兩顆城市大小的天體碰撞形成的。由此我們在把目光轉向了亞原子物理學。”

一顆中子星有多大？研究學者們使用第一原理預測了中子星的全部可能狀態方程，而這些方程衍生自原子物理。在所有可能的方程裡，研究人員選擇的依據是其能夠解釋不同的物理觀測現象。他們選擇模型的依據為：

•與鐳射干涉引力波天文臺LIGO/Virgo公開的已觀測到的GW170817引力波資料相符。

•能夠生成生命週期短暫的超大品質中子星作為中子星合併的結果。

•能夠與從GW170817的觀測到的中子星已知最大品質電磁波資料的約束條件相符。

這不僅僅使研究人員能夠獲得緻密物質物理的準確資訊，同時也能獲得到目前為止中子星最嚴謹的體積範圍。

未來引力波和“多信使”的觀測

出版物的合著者，漢諾威AEI（阿爾伯特•愛因斯坦研究所）的一位博士生Stephanie Brown說道：“這些結果令人激動，不只是因為我們現在能夠大幅度改進對中子星半徑的測量，更是因為這得以讓我們窺見雙星合併後中子星的最終宿命。”這項最新的結果表明，通過類似於GW170817中子星合併事件，LIGO（美國鐳射干涉引力波天文臺）以及Virgo（義大利引力波天文臺）靈敏探測器僅從引力波上就很能容易地辨別出是雙中子星合併抑或是雙黑洞合併。在GW170817事件中，電磁波頻譜的觀測對於上述兩者的區分有著至關重要的作用。

研究團隊同時發現，對於“混合並”（中子星與黑洞合併）而言，單獨的引力波合併觀測對其與雙黑洞的區分較為困難。而電磁波頻譜觀測或是對合並後的引力波觀測在區分兩者時有關鍵的作用。

然而，新結果也表明混合雙星合併的“多信使”觀測不可能發生。Capano解釋說：“我們已經展示在多數情況下，中子星寧願吞噬整個黑洞也不會被黑洞撕扯成碎片。只有當黑洞非常小或是快速旋轉時，它才會在吞噬前擾亂中子星，也只有在這種情況下，我們才能期盼看見除了引力波之外的更多東西。”

前路光明

在接下來的十年中，現有的探測器將變得更靈敏，新增的探測器也會開始進行探測任務。研究團隊期盼更強引力波探測和可能的雙中子星合併“多信使”觀測。對中子星和核物理的深層研究而言，每一次的合併都是一個寶貴的機會。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3.木山風 Ö，爆米花-aei