多管齐下揭示奥秘，中子星物理学的黄金时代已经到来

科技日报记者 刘霞

中子星是宇宙间最神秘的天体之一，密度更高将进入黑洞，天文学家目前已非常了解其如何诞生，但其超致密内核的结构及其间上演何种剧情，仍是未解之谜。而且，观测到脉冲星与黑洞的史诗级“共舞”，也让不少科学家心生向往。

去年12月，美国国家航空航天局（NASA）的“中子星内部成分探测器”（NICER）提供了一些有关中子星质量和半径迄今最精确测量结果，以及其磁场的数据。

中国科学院国家天文台研究员张承民对科技日报记者介绍说：“此外，本世纪20年代后将有大批科学前沿装置投入中子星的研究，比如美国和欧洲的引力波天文台，中国‘天眼’FAST、国际SKA射电阵列、还有高能宇宙线和中微子，将中子星研究从过去的多波段时代升级到当今的多信使时代，中子星物理学的黄金时代已经到来。”

中子星是“何方神圣”

据张承民介绍，中子星是大质量恒星演化到末期，经由引力塌缩发生超新星爆炸后生成的质量介于白矮星和黑洞之间的星体。当一颗恒星死亡后形成致密星的质量为太阳质量1.35到2.1倍时，常会形成中子星；小于1.35倍太阳质量时，很可能形成白矮星；大于太阳质量3.2倍时，则会形成黑洞。

张承民说：“中子星是宇宙中最致密的天体之一，其密度之大超乎想象。地球直径约为12756公里，如果把地球压缩为一颗中子星，那么其直径仅为44米，由此可见其密度之大。”

身上迷雾重重

天文学家认为，在引力挤压下，中子星内部的质子和电子会交融形成中子，这也是中子星得名的缘由，但这并非最终结论。

张承民解释道，天文学家从来没有近距离透视过中子星，地球试验室也无法制造出接近其密度的物质，因而，中子星身上迷雾重重。

首先，中子星内部结构一直是物理学领域的重大未解之谜。一些研究人员认为，中子星内核中心位置由中子霸占，但其他人则表示，巨大的压力会将内核物质挤压成更奇特的颗粒（胶子和夸克）。

其次，对于中子星内部上演的剧情，科学家给出了不少剧本：夸克和胶子在其间自由游弋；或者，极端能量导致名为“超子”的粒子产生，超子也由三个夸克组成，除上下夸克，至少还包含一个奇夸克；中子星中央是玻色-爱因斯坦凝聚态，在这种物质状态中，所有亚原子粒子的“行为”都像单个量子力学实体等等。但以上诸多情节都未曾获得证实。

张承民继续解释道：“此外，中子星头上还蒙着不少‘神秘面纱’，例如，中子星的磁场是如何形成和演化的，观测发现毫秒脉冲星的磁场比常规脉冲星的磁场低约一万倍，其演化细节是打开中子星磁场工作的奥秘；中子星的最小磁场和最大磁场由什么条件决定？观测看到最快毫秒脉冲星的转动周期仅1.39毫秒，那么，宇宙间是否存在更快的转动？其速度如何形成？更重要的是，迄今还没有人发现脉冲星与黑洞的‘双星之舞’，它们在宇宙深处存在的比率是多少？ 这些是目前中国‘天眼’FAST关注的重要科学目标之一。”

张承民进一步指出：“中子星‘性格’独特，研究它具有重要意义。”

首先，中子星高度致密，其引力场强度比地球高约亿倍，超越了牛顿引力理论范围，需要借助爱因斯坦广义相对论来验证；其次，中子星的超强磁场也是等离子体理论在极端环境的应用场所； 再次，中子星的核心致密核物质是检验各种核物理理论的天然实验室； 另外，脉冲星精准测量可用于自主导航，还可以验证爱因斯坦的引力波预言，等等。

张承民强调说：“更重要的是，脉冲星作为转动中子星，可进行多波段观测实验——包括地面和空间实验室，这可以大力提升大科学装置的精密程度，也能为宇宙新发现提供载体。所以， 脉冲星和中子星一直是各国天文学家和物理学家积极关注的热点。”

NICER管窥中子星

据张承民介绍，为揭示中子星的秘密，科学家发射了NICER空间探测器。NICER耗资6200万美元，于2017年升空，安装于国际空间站上，主要目标是收集脉冲星（旋转中子星）发出的X射线，这些X射线源于脉冲星表面温度高达数百万度的热点。

图片说明：NICER 图片来源：英国《自然》杂志网站

《自然》杂志的报道指出，NICER观测结果和其他观测结果使天体物理学家能确定中子星的质量和半径，而这两个属性可以帮助确定中子星内核正在上演什么故事。