文章介紹了一個國際研究團隊利用幾個不同望遠鏡和觀測站的數據，馬克斯·普朗克引力物理研究所的成員阿爾伯特·愛因斯坦研究所(AEI)將中子星的大小估計縮小了兩倍，將中子星的半徑縮小到更精確的測量範圍。

中子星究竟有多大？就恆星物體而言，這些密度極大的，引力坍縮所形成的恆星體積卻很小。即使每一顆的質量都等同於一整顆龐大的恆星，一座中至大規模的城市直徑也足以與他們的尺寸相提並論。

多年以來，天文學家將中子星的大小鎖定在19至27千米（12至17英里）的範圍內。考慮到中子星的距離和特性，這個估計已經相當精確，但天文學家依然不懈地進行着深入研究，意在將其縮小到更精確的測量範圍。

一個國際研究組織取得了新的進展。通過分析從各地多臺天文望遠鏡與天文臺取得的數據，馬克斯·普朗克引力物理研究所（The Max Planck Institute for Gravitational Physics，又稱阿爾伯特·愛因斯坦研究所 (AEI) ）的成員又將中子星的確切尺寸範圍縮小了兩倍。

“我們發現，一顆典型的中子星約比太陽重1.4倍，而它的半徑約爲11千米。” 漢諾威總部研究團隊的負責人巴德里·克里希南（Badri Krishnan）如此描述，“我們的研究結果將半徑鎖定在10.4至11.9千米之間。”

圖解：雙中子星合併的概念插圖。圖中窄光束爲伽馬射線爆，代表時空的網格上產生的漣漪爲各向同性的引力波，這也是雙中子星合併的顯著特徵。正在合併的雙星中噴出的旋動物質會發出一些能量較低的光線，這些光線能夠被觀測到。

這個團隊的研究對象實際上赫赫有名：GW17087，由一對相互緊密環繞的雙中子星合併所產生的一個持續約100秒的引力波。它於2017年8月17日被激光干涉引力波天文臺（LIGO）與室女座干涉儀（Virgo Interferometer）探測到。

圖解：雙中子星合併碰撞瞬間的概念圖。

圖解：GW170817於漢福德，利文斯頓和室女座天文臺分別測得的時頻圖。信號在兩個LIGO探測器中清晰可見，爲一個正啁啾波。由於室女座干涉儀的靈敏度較低，且引力波來源方位恰巧是其盲區，因此在室女座處不可見。圖片來源：LIGO科學合作組織/室女座合作組織

此外，費米衛星，哈勃太空望遠鏡以及世界各地的多種望遠鏡和天文臺均對此天文事件進行了無數次研究，這些觀察結果爲馬克斯·普朗克團隊提供了大量有效數據。

“雙中子星合併簡直是挖掘關鍵數據的寶礦！” AEI漢諾威總部的研究員柯林·卡帕諾（Collin Capano）感嘆道。他是發表於《自然天文學》刊中的相關論文的主要作者。

圖解：NASA哈勃空間望遠鏡鏡頭下，此雙中子星合併後的餘暉。其亮度隨時間推移逐漸黯淡。圖片來源：NASA和ESA：A. Levan（美國沃裏克大學），N. Tanvir（美國萊斯特大學）以及A. Fruchter和O. Fox（美國科學技術學會）

“在可觀察到的宇宙中，中子星含有最爲緻密的物質。……通過測量這些星體的性質，我們得以瞭解亞原子層面上物質所遵從的基礎物理現象。”

當一顆巨大的恆星演化到末期，燃料耗盡並坍縮時，就會形成中子星。恆星的最中心區域——核心，將會坍縮，把每個質子和一個電子轉化爲一箇中子。

圖解：超新星爆炸。圖源：NATHAN SMITH (加州大學伯克利分校), NASA

如果正在坍縮的恆星的核心大約在一到三個太陽質量之間，那麼這些新形成的中子就可以阻止繼續坍縮，最終成爲一顆中子星。而質量更大的恆星將持續坍縮，直至成爲等同恆星質量的黑洞。

但是坍縮成中子星會產生已知密度最大的物體，就像前文所提到的，相當於把一個太陽質量的物體壓縮到僅有城市大小。您可能已經聽過這個著名的比較了，但它的誇張程度值得不厭其煩地重複：一塊方糖大小的中子星物質在地球上的重量約爲1萬億公斤（或10億噸），與整座穆朗瑪峯的重量大致相同。

您也許會產生疑問：既然不同恆星的大小可以相差甚遠，中子星的大小不也可以不同嗎？

首先，需要澄清的是，此次研究估算出的半徑是使用1.4倍太陽質量的中子星作爲前提進行計算的。

“這是一個在文獻中廣泛使用的基準質量，”卡帕諾在一封電子郵件中告訴《今日宇宙》（Universe Today），“因爲觀測到的雙中子星中，幾乎所有中子星的質量都接近該值。”

“之所以能夠使用GW170817引力波來估算1.4個太陽質量的中子星的半徑，是因爲我們認爲幾乎所有中子星都由相同的物質組成。”

他解釋說，對於其他“常規”恆星，其質量與半徑之間的關係取決於許多變量的影響，例如恆星核心中進行核聚變的元素。“而中子星是如此緊湊、密集，以至於它們不會含有真正分開的原子——整個恆星基本上是一個巨大的單原子核，幾乎完全由緊密堆積在一起的中子組成。”

“正因如此，我們不能認爲中子星是由不同的元素構成的。在這種級別的密度下，“元素”的概念失去意義，因爲元素是由其原子含有的質子數定義的。”

圖解 ：中子星的組成。圖源： Carl Knox/OzGrav

卡帕諾說，由於所有中子都是相同的物質（夸克，由膠子固定在一起），天文學家認爲質量和半徑之間能夠建立通用的對應關係，使其適用於所有中子星。因此，當估計1.4個太陽質量的中子星的大小時，我們實際上所做的是在形成一些或許能夠描述亞原子世界的物理定律。”

研究團隊在論文中也指出，他們的研究結果和過程也可以用於研究其他天體，例如脈衝星，磁星，甚至它們發出引力波的方式，提供細節幫助天文學家理解引力波產生的原因。

斯蒂芬妮·布朗（Stephanie Brown），論文的合著者，同時也是AEI漢諾威總部的一名博士研究生，她如此評價道：“這些結果令人興奮，不僅僅因爲我們已經極大程度上將中子星半徑的測量精確化，更因爲透過它，我們對雙中子星合併後的最終宿命有了更明確的認識。“

作者: NANCY ATKINSON

FY: 肉桂兔包

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