毫微微米级干扰设备专利
当一颗质量是太阳20倍的恒星死亡后，它会变成一颗密度不可思议的中子星，大小相当于一座城市。用美国国家航空航天局大学天体物理学家Zaven Arzoumanian的话说，中子星是“大多数人从未听说过的最奇怪的物体”。一块乒乓球大小的中子星物质，重量超过6543.8+000亿吨。
天文学家认为，中子星中的大多数质子和电子在重力的压力下融合成中子——因此得名。但这不是最终结论。天文学家从未近距离观测过中子星，地面实验室也无法产生接近其密度的物质。因此，中子星的内部结构仍然是宇宙中的主要谜团之一。
中子星含有已知引力最强的物质——再增加一点质量，它们就会变成黑洞，本质上不是物质，而是极度弯曲的时空。“这个临界状态是什么样子的？”阿祖·马格纳因说，“这就是我们正在探索的。”为了回答这个问题，研究人员提出了几种相互竞争的理论:
因为我们不能切开中子星看里面是什么，所以没有简单的方法来判断这些理论哪个是正确的。尽管如此，科学家们还是取得了一些进展。重大突破发生在2065438+2007年8月，研究人员通过地面实验探测到两颗中子星迎面碰撞产生的引力波。引力波是质量物体加速产生的时空波动。此次探测到的引力波携带了两颗碰撞中子星的质量和大小等重要信息。利用这些信息，科学家可以进一步确定中子星的性质和内部组成。
2065438+2007年6月在国际空间站开始运行的中子星内部成分探测器(NICER)也在帮助科学家收集线索。NICER监测脉冲星，即具有强磁场和快速旋转的中子星。脉冲星发出的光束会不断扫过星际空间。当地球处于光束扫过的区域时，我们会看到脉冲星在以惊人的频率“闪烁”，最快的时候1秒可以闪烁700多次。通过这些实验，科学家们有望发现中子星内部的情况。如果这个目标能够实现，我们不仅可以更好地了解这类奇怪的天体，还可以了解极端条件下的物质和引力。
当恒星耗尽其核心的燃料并停止产生能量时，可能会发生超新星爆炸。中子星是由这次灾难性的爆炸形成的。突然没有了对手的引力，它会像活塞一样锤击恒星，吹走外包层，砸碎核心。这个阶段的恒星核心主要由铁构成。强大的引力可以压碎原子，将电子挤压到原子核中，并与质子融合产生中子。圣路易斯华盛顿大学的物理学家马克·阿尔福德说:“来自各个方向的压力将铁压缩了6.5438亿倍以上。”"直径为十分之一纳米的原子变成了直径为几毫微微米的中子."就像把地球压缩成一个街区那么大。当恒星停止坍缩时，内部中子的数量大约是质子的20倍。
物理学家认为，中子星的质量大约是太阳的1~2.5倍，它可能至少有三层。最外层是由氢和氦组成的气态“大气层”，厚度为几厘米到几米。这层大气漂浮在外“壳”上，厚度约1 km，由原子核组成。在这一层中，原子核以晶格结构排列，电子和中子填充在其中。最里面的第三层包含了中子星的大部分质量，其具体成分仍然是个谜。这里的原子核挤在一起，几乎没有空间了，达到了核物理允许的最高密度。越靠近中子星的核心，每个原子核中的中子就越多。在某个地方，原子核将无法容纳更多的中子，然后中子就会溢出。此时没有原子核，只有原子核(即质子和中子)。最终，在中子星的最深处，这些粒子也可能被分解。
“我们对这种物质在异常高压和高密度下的认识还处于假设阶段。”阿尔福德说，“我们认为中子实际上可能已经被压碎并相互重叠，所以你不能把它视为中子流体，而应该称之为夸克流体。”这种流体的确切形式仍然是一个未决的问题。一种可能是夸克形成了一种“超流体”，它没有粘性，理论上一旦运动就永远不会停止。中子星内部有可能存在这种奇异的物质状态，因为夸克之间的关联使得它们在足够接近的情况下有可能形成束缚的“库珀对”。
夸克本身就是费米子——它们的自旋量子数是半整数。当两个夸克配对时，它们作为一个整体表现为玻色子——它们的自旋是整数。这种变化意味着粒子将遵循新的定律。费米子服从泡利不相容原理，即两个相同的费米子不能占据相同的状态——但玻色子并没有如此受限。在拥挤的中子星中，作为费米子，夸克必须拥有越来越高的能量，才能占据比其他夸克更高的能级。但是，变成玻色子后，都可以停留在最低能量状态。当夸克对处于这种状态时，就形成了超流体。
在密度最高的核心区域之外，中子保持完整，它们也可以配对形成超流体。事实上，科学家们确信中子星的壳层中存在超流体，证据来自脉冲星的“周期性跳跃”，即中子星的自转在一段时间内突然变快。中子星的自转会自然变慢，而没有摩擦的超流体流动不会变慢。当它们的转速差变得太大时，超流体会将角动量传递给壳层。“这就像地震，”纽约州立大学石溪分校的天文学家詹姆斯·拉蒂默说。“中子星打嗝，突然释放一些能量，自转频率短时间增加，然后恢复。”
2011年，拉蒂默和他的同事们声称，他们在中子星的核心发现了超流体的证据，但他承认这仍然存在争议。由墨西哥国立自治大学的丹妮·佩奇领导的拉蒂默团队研究了仙后座A的X射线观测数据..他们发现，星云中心的脉冲星冷却速度比传统理论预期的要快。一种解释是，中子星中的一些中子配对成超流体，当中子对分散和重组时，它们发出中微子，使中子星失去能量，冷却下来。
超流体只是隐藏在中子星神秘大门后面的一种可能性。中子星也可能是罕见的“奇异夸克”的家园。夸克有六种类型，或者更准确地说，六种味道——上、下、下、奇、顶、底。味道最轻的原子只有顶部和底部。其余的味道太不稳定，往往只在粒子加速器(如大型强子对撞机)的高能粒子碰撞实验中短暂出现。
然而，在密度极高的中子星中，中子中的一些上夸克和下夸克可能会变成奇怪的夸克(剩下的稀有味道——魅、顶夸克和底夸克太重，即使在这里也无法形成)。如果奇异夸克出现，并与其他夸克束缚在一起，就会形成中子的“变种”——超子。也有可能这些夸克根本不形成其他粒子，而是在“夸克汤”中自由漫游。
物质的每一种可能状态都会显著影响中子星的大小。用Azur Magnain的话说，中子“就像弹珠一样，形成一个坚硬的固体核心”。固体核心将支撑外层，使中子星变大。另一方面，如果将这些中子分解成一锅夸克胶子汤，就会形成一个“柔软的、糊状的”核心，中子星的半径也会变小。更好的实验的目的是确定哪个解释是正确的。该项目负责科学事务的首席研究人员之一Azu Magnain表示:“NICER的一个关键目标是测量中子星的质量和半径，从而帮助我们选择或排除一些关于致密物质的理论。”
更好的是一个洗衣机大小的盒子，安装在国际空间站外面。它连续监测天空中的几十颗脉冲星，并探测它们发出的X射线光子。NICER可以探测光子的能量和到达时间，以及光在中子星引力场下的弯曲程度，从而帮助科学家计算这些脉冲星的质量和半径，并进行比较。
测量中子星的半径可以有效地简化关于中子星内部物质状态的候选理论。科学家曾经认为中子星中一半的中子会转化成含有奇异夸克的超子。理论计算表明，这颗富含超子的中子星不可能超过太阳质量的1.5倍。然而在2010年，美国国家射电天文台的保罗·德莫雷特领导的天文学家测量到一颗中子星的质量是太阳的1.97倍。这一发现排除了许多关于中子星内部的理论。现在物理学家估计中子星的超子含量不会超过10%。
研究单颗中子星我们收获很多，但研究两颗中子星的碰撞更有价值。多年来，天文学家通过望远镜观察到一些被称为伽马射线爆发的强烈闪光现象，他们一直怀疑这种事件源于两颗中子星的碰撞。通过2065438+2007年8月探测到的引力波，天文学家终于看到了中子星合并的第一例。2017，17，欧洲的两个实验小组——LIGO和处女座——同时探测到了两颗中子星相互进动，然后合并成一颗中子星或黑洞时产生的引力波纹。
这并不是科学家第一次探测到引力波，但之前的引力波都来自两个黑洞的碰撞。不仅如此，这次科学家在探测引力波的同时，还用望远镜观测到了来自天空同一位置的电磁波。电磁波和引力波的结合提供了大量关于碰撞位置和过程的信息，对中子星物理的研究大有裨益。天体物理学家追踪引力波，发现了一对距离地球1.3亿光年的中子星。引力波的细节，即频率、强度和模式随时间的变化，让研究人员估算出两颗恒星碰撞前的质量约为太阳的1.4倍，半径为11~12 km。
这些信息可以帮助科学家构建一个描述中子星性质的关键方程，即物态方程。这个方程描述了不同压力和温度下的物质密度，应该适用于宇宙中所有的中子星。对于中子星不同的内部状态，理论家提出了几种可能的状态方程，新的观测可以排除其中的一些。比如这次观测发现中子星的半径比较小，这是相当令人惊讶的。如果我们试图用同一个状态方程(比如1.97倍太阳质量)来描述这些致密中子星和已知的大质量中子星，有些理论就会陷入困境。
如果能提高引力波探测器的灵敏度，我们将获得巨大的回报。例如，测试中子星状态的一种方法是寻找内部旋转流体发出的引力波。如果一种流体的粘度非常低或者为零——就像超流体一样——它会以一种叫做R模式的特殊方式流动，并发出引力波。“这个引力波比合并发出的引力波弱很多。”阿尔福德说，“物质在安静地抖动，而不是被撕裂。”阿尔福德和他的合作者证实，目前运行的先进LIGO探测器无法看到这种引力波，但有可能在未来看到升级版的LIGO和一些计划中的天文台，如欧洲正在考虑的地基爱因斯坦望远镜。
解开中子星之谜可以帮助我们在无法理解的极端情况下理解物质。这种物质与构成我们世界的原子有很大不同，可以拓展我们的认知边界。它可能会将一些奇异的想法变成现实，例如类似流体的夸克物质、超流中子和不寻常的超子星。而且，了解中子星的意义更大:物理学家更深层次的目标是利用这些致密的恒星来解决更重要的未知问题，比如原子核内部相互作用的规律，以及物理学中最大的未解之谜——引力的本质。中子星只是研究核力的一种方式，全世界的粒子加速器也在做这种研究，可以像显微镜一样窥探原子核。
当大多数核物理问题解决后，科学家们可以将注意力转向引力。“中子星结合了引力物理学和核物理，”麻省理工学院的Or Hen说。“现在我们用中子星作为实验室来研究核物理。因为我们可以利用地球上的原子核，所以我们希望最终能够非常彻底地研究核物理的问题。然后我们可以利用中子星来研究引力，这也是最具挑战性的物理问题之一。”我们现在的引力理论是爱因斯坦的广义相对论，很难和量子力学兼容。这两个理论最终会有一个做出让步，物理学家不知道是哪一个。“我们会知道的，”恒说。“这种前景令人振奋。”