中澳科學家聯手探尋中子星“體重密碼”

◎本報記者 宗詩涵

中子星的直徑僅為20多千米，切面相當於北京四環內區域大小，但其重量卻是地球的幾十萬倍。如果從中子星上挖“一勺土”，那麼它的重量可能有上億噸。中子星為何這麼重？它究竟由什麼物質構成？這些是天文學家一直在探索的問題。

日前，北京師範大學引力波團隊與澳大利亞研究基金會引力波發現卓越中心等單位合作，在中子星初生質量的研究中取得重要進展，相關論文發表於國際期刊《自然·天文學》。

超新星研究的突破口

當一顆質量為太陽八倍至幾十倍的恆星核燃料耗盡時，會向核心坍縮，物質被急劇壓縮，直至到達極限後觸底反彈，產生超新星爆發，並可能遺留下中子星這一致密殘骸。

“早在宋朝，天文學家就觀測到了一次罕見的超新星爆發。後來，天文學家發現蟹狀星雲中的脈衝星正是那次爆發後留下的中子星。”論文作者之一、北京師範大學文理學院研究員朱興江介紹，迄今為止，天文學家已通過射電望遠鏡等手段發現了4000多顆脈衝星，這些一般都被認為是中子星。

關於中子星，一直有諸多未解之謎。朱興江説，一是內部物質狀態不明。中子星內部密度極高，温度、壓力均處於極端狀態，其內部具體的物理性質仍不清楚。二是磁場機制未明。核坍縮後，中子星磁場強度激增，但其磁場生成、放大以及隨時間衰減的機制尚未明晰。三是緻密天體質量範圍未知。超新星爆發殘留的可能是中子星或黑洞，如何從質量上清晰界定這些不同的天體仍是天文學界的重大挑戰。

“中子星作為超新星爆發後留下的緻密天體，其初生質量信息對於反推其前身恆星質量具有重要意義。”朱興江説，由於直接捕捉前身恆星信息極為困難，研究中子星初生質量成為推動超新星理論研究的重要突破口。

發現質量分佈新規律

“目前已測定質量的中子星大多源自雙星系統，即這些中子星擁有一個伴星，類似於地球擁有月球。”論文作者之一、河南省科學院引力波天文研究所副研究員尤志強介紹，中子星的強大引力會撕裂伴星的部分物質，這些物質隨後如同被漩渦裹挾一般，被中子星迅速吸入，從而導致中子星質量增加，這一過程被稱為吸積。

如何估算因吸積而增加的質量，是研究中子星初生質量的一大挑戰。“吸積過程極為複雜，可能持續數百萬年，並與中子星及其伴星的特性有關。確定吸積何時停止，是解決質量增加這個難題的關鍵。”論文作者之一、北京師範大學文理學院講師劉小金説。

劉小金介紹，目前國內外學者主要將研究集中於直接觀測到的中子星質量分佈上，而對中子星的初生質量關注較少，僅有少數研究對個別脈衝星進行了吸積修正分析。總體而言，缺乏全面統計並扣除吸積效應後的中子星初生質量分佈研究。這正是團隊近年來努力的方向。

早在2019年，團隊研究人員就開始探索中子星的質量分佈。他們基於銀河系雙中子星的觀測數據，判斷吸積和非吸積中子星遵循不同的質量模型。

研究的突破源自對另一個問題的探索。2022年，在研究中子星轉動速率時，團隊研究人員發現，當中子星質量增加時，其轉動速率也會變快，但最快轉動速率不能超過理論上限。利用中子星轉動速率與質量之間的關係模型，研究人員估算出中子星可能增加的質量，其與通過經驗分析得出的結果相吻合，這為他們增添了信心。最終，他們發現了吸積加速的理論上限，並據此推斷增加的質量最多可佔總質量的兩成。為審慎起見，他們還考察了更多質量分佈的可能性。

解決這些問題後，團隊發現中子星的質量分佈規律與以往的認識大相徑庭，可能顛覆既有觀念。以往研究認為，中子星依據質量可分為重型與輕型兩類。但該團隊的最新研究表明，中子星質量分佈可能僅存在一個峯值，並且在1.3至2.4倍太陽質量之間按冪律平滑變化，這一規律與恆星的質量分佈趨勢相似。

更多謎題有待解開

研究團隊還推測，大質量中子星較少的原因可能是其前身恆星更易直接坍縮為黑洞，而不是形成中子星。“這與觀測結果相吻合，天文學家在超新星前身恆星中鮮少觀測到大質量紅超巨星。”尤志強解釋，紅超巨星是恆星演化到晚期的一種形態，如果大質量紅超巨星在超新星爆發後更容易直接坍縮成黑洞，那麼在觀測中自然就很難看到它們作為中子星的前身存在。

“研究不僅為探索中子星內部緻密物質形態提供了寶貴觀測證據，也為理解中子星的形成機制開闢了新視角，有望幫助我們揭示超新星爆發機制，乃至揭開黑洞形成的神秘面紗。”劉小金説。

銀河系的中子星總數約有10億顆，但目前被觀測到的僅有4000多顆，其中質量被測定的不足百顆。這些有限的數據難以全面反映中子星的整體特性。因此，發現更多中子星或脈衝星並測定其質量顯得尤為重要。

“儘管我們已經發現了一些規律，但這僅僅是‘冰山一角’，還有更多謎題等待我們研究。”尤志強説。

研究中子星質量的一個重要目的在於探究其內部物質形態。“這種物質形態可能是一種全新形式，超越我們已有認知。理論學家認為，中子星內部可能是純中子，也可能混有超子或者夸克，但要獲得最終的答案還需要更深入的研究。”朱興江説。