中子星物理學研究進入黃金時代
本報記者 劉 霞
中子星是宇宙間最神秘的天體之一，天文學家目前已瞭解其如何誕生，但其超緻密內核的結構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》雜誌撰文指出，他們已經找到有力證據，證明迄今最大中子星內核存在奇異的夸克物質，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“中子星內部成分探測器”（NICER）提供了一些有關中子星質量和半徑迄今最精確測量結果，包括其磁場的數據。
中國科學院國家天文台研究員張承民對科技日報記者介紹説：“本世紀20年代後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台、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到來。”
中子星密度之大超乎想象
據張承民介紹，中子星是大質量恆星演化到末期，經由引力坍縮發生超新星爆炸後生成的質量介於白矮星和黑洞之間的星體。當一顆恆星死亡後形成緻密星的質量為太陽質量1.35到2.1倍時，常會形成中子星；小於太陽質量1.35倍時，很可能形成白矮星；大於太陽質量3.2倍時，則會形成黑洞。
張承民説：“中子星是宇宙中最緻密的天體之一，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，那麼其直徑僅為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，中子星內部的質子和電子會交融形成中子，這也是中子星得名的緣由，但這並非最終結論。
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，因而，中子星身上迷霧重重。
首先，中子星內部結構一直是物理學領域的重大未解之謎。一些研究人員認為，中子星內核中心位置由中子霸佔，但其他人則表示，巨大的壓力會將內核物質擠壓成更奇特的顆粒（膠子和夸克）。
其次，對於中子星內部上演的劇情，科學家給出了不少劇本：夸克和膠子在其間自由遊弋；或者，極端能量導致名為“超子”的粒子產生，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，在這種物質狀態中，所有亞原子粒子的“行為”都像單個量子力學實體等等。但以上諸多情節都未曾獲得證實。
張承民解釋道：“中子星頭上還蒙着不少‘神秘面紗’，例如，中子星的磁場是如何形成和演化的，觀測發現毫秒脈衝星的磁場比常規脈衝星的磁場低約10000倍，其演化細節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麼條件決定？觀測看到最快毫秒脈衝星的轉動週期僅1.39毫秒，那麼，宇宙間是否存在更快的轉動？其速度如何形成？更重要的是，迄今還沒有人發現脈衝星與黑洞的‘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關注的重要科學目標之一。”
張承民指出：“中子星‘性格’獨特，研究它具有重要意義。”
首先，中子星高度緻密，其引力場強度比地球高約億倍，超越了牛頓引力理論範圍，需要藉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境的應用場所；再次，中子星的核心緻密核物質是檢驗各種核物理理論的天然實驗室； 另外，脈衝星精準測量可用於自主導航，還可以驗證愛因斯坦的引力波預言，等等。
張承民強調説：“脈衝星作為轉動中子星，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，也能為宇宙新發現提供載體。所以，脈衝星和中子星一直是各國天文學家和物理學家積極關注的熱點。”
NICER欲管窺中子星
據張承民介紹，為揭示中子星的秘密，科學家發射了NICER空間探測器，主要目標是收集脈衝星（旋轉中子星）發出的X射線。
《自然》雜誌的報道指出，NICER觀測結果和其他觀測結果使天體物理學家能確定中子星的質量和半徑，而這兩個屬性可以幫助確定中子星內核正在上演什麼故事。
NICER的首個目標是編號J0030 + 0451的脈衝星，初步觀測結果表明，這顆“孤獨”脈衝星的質量是太陽質量的1.3或1.4倍，半徑約為13公里。NICER將繼續對其展開觀測，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量和半徑，並將其半徑的精度限制在0.5公里以內。在此精度下，研究人員可以驗證所謂的中子星物質狀態方程，該方程描述了中子星的質量與半徑（或內部壓力與密度）的關係。
此外，他們還計劃未來至少研究幾顆大質量脈衝星，包括目前最大質量中子星記錄保持者——一個為太陽質量2.14倍的中子星，這將使他們探究出中子星的質量上限，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
儘管在觀測中子星方面，NICER目前一馬當先，但它並非唯一內部深入探究脈衝星“內心”的設備。
2017年，美國激光干涉儀引力波天文台（LIGO）與歐洲的“室女座”（Virgo）探測器攜手，觀測到兩顆彼此併合的中子星產生的引力波，其中包含有關中子星大小和結構的信息。無獨有偶，2019年4月，LIGO觀測到第二次中子星並和事件。但當前設備無法觀測到並和最後一刻的情況，那時兩顆中子星的扭曲最大，相關數據能清楚揭示中子星的內部情況。
《自然》雜誌稱，日本的“神岡”引力波探測器將於今年晚些時候投入使用；印度的引力波觀測天文台也將於2024年啓動，這些設施與LIGO和Virgo強強聯手，將提高觀測靈敏度，並有可能捕獲中子星並和最後時刻的細節。
據張承民介紹，放眼未來，一些儀器設備已列入計劃，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，中國和歐洲預計將於2027年發射“增強型X射線時變與偏振空間天文台”衞星，研究單獨中子星及雙星中子星，幫助確定它們的狀態方程。另外，“寬帶能量X射線光譜時間分辨天文台”將使用NICER的熱點技術，以更高精度確定至少20箇中子星的質量和半徑，這一天文台擬於本世紀30年代發射。
張承民説：“過去科學家在光子的視線下觀察中子星，以後將在各種宇宙視線下查看中子星的全景，並且探測精度也伴隨電子技術、信息技術及人工智能大數據不斷升級，開拓出精細與精準的中子星認知時代。”