旋轉的中子星（脈衝星）釋放的X射線，可以用於探測中子星的直徑。（圖片來源：NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab）

中子星是宇宙中最神祕的天體之一，同時，這類緻密天體的內部成分也充滿了懸念：有理論認爲，中子星的內部是一片夸克海洋。最近，一箇中子星探測項目公佈的初步結果，卻指向了相反的結論……

撰文 | 喬納森·奧卡拉漢（Jonathan O‘Callaghan）

翻譯 | 楊楠

審校 | 吳非

在人類對宇宙的認知範疇裏，中子星是一類獨特的天體。它們源於超新星爆發，體積僅有一座城市大小，質量卻與恆星相當。一直以來，科學家們都相信中子星內部有一些極端的物理學過程發生，甚至中子可能會分裂成一種叫做夸克的黏軟物質。

然而，由於無法窺測中子星內部，我們必須依靠一些可測量的特徵，比如質量和尺寸，來推斷其內部組成。在中子星引力的作用下，夸克應該比中子更易被壓縮。所以如果中子星內部充滿夸克，那麼質量越大，它的直徑應該會更小。

但新的問題出現了：要測量遠在數千光年之外，但只有城市大小的天體的直徑，對於天文學家來說絕非易事。法國國家科學研究中心的理論物理學家米凱拉·奧爾特爾（Micaela Oertel）曾說，成功測量中子星的質量和大小將是“中子星物理學研究的聖盃”。

2017年，NASA研發的中子星內部組成探測器（NICER）被送往國際空間站，這臺X射線望遠鏡試圖探測中子星的諸多性質。2019年，它測量到一顆質量爲太陽1.4倍、距離地球1000光年的中子星J0030的直徑約26千米。

NICER工作示意圖（圖片來源：NASA‘s Goddard Space Flight Center）

最近，有兩個團隊利用NICER的數據，分別對距離地球3000光年的另一顆中子星J0740獨立展開了分析。兩個團隊算出的直徑基本一致，分別爲24.8千米和27.4千米。研究已於5月初發佈於預印本網站arxiv.org，但尚未進行同行評審。這一結果令人震驚，要知道，J0740的質量是太陽的2.1倍，是已知質量最大的中子星，比J0030還重50%左右，但兩者的直徑卻幾乎一致。

這一發現說明中子星雖然奇特，但還不至於奇特到消滅了中子。佛羅里達州立大學的理論物理學家豪爾赫·皮耶卡雷維奇（Jorge Piekarewicz）說：“這可能表明在中子星的核心，不至於出現奇異物質。”

中子星的相變

當一個質量約爲太陽8~20倍的巨大恆星燃燒殆盡時，由於沒有向外的壓力來對抗恆星引力，這顆星球開始坍縮並爆炸，外殼向外拋散，只留下緻密的核心快速收縮成和曼哈頓差不多大小的天體，也就是中子星。

中子星的核心位於由離子和電子構成的薄殼下方。在覈心部分，質子和電子被緊緊擠壓融合成一體，形成一箇中子海洋。然而，穿過這些緻密物質之後，在更接近中心的地方，可能有更匪夷所思的事情發生。科爾·米勒（Cole Miller）是馬里蘭大學的天體物理學家，也是測定中子星J0740大小的研究中的主要作者。他說：“那裏不是獨立的中子和質子，而是比中子和質子還小的夸克組成的海洋。但它們的誕生條件還是個謎。”

截至目前，有一些模型預測，質量足夠大的中子星就能產生巨大的密度，導致中子和質子被分裂成更小的夸克——或許2.1倍太陽質量的J0740就能做到這一點。阿姆斯特丹大學的天體物理學家安娜·瓦茨（Anna Watts）說，由於中子星內部結構經歷了由常規物質到相對“可擠壓”的夸克物質的相變，“半徑應該變小”。

另一些模型的預測則恰好相反：即使相變過程真的存在，它也只有在接近中子星坍縮成黑洞的臨界質量時纔會發生。（具體的臨界點尚不明確，但通常認爲是3倍太陽質量。）瓦茨說：“問題是，如果在高密度下會有奇異物質形成，那這個轉變是從什麼時候開始的？”

瓦茨說，如果像J0740這樣的中子星經歷過這種相變階段，而且含有更多“可擠壓”的夸克，它的直徑應爲9~16千米。但米勒表示，即使在考慮誤差的情況下，研究人員已經確定了一個相當可信的最小直徑：22千米。

根據這項研究，中子星或許會在超過2.1倍太陽質量的某個時間點形成夸克，或者可能永遠不會形成。相反，即使是在最極端的情況下，質子和中子也可能繼續存在於中子星內部。瓦茨說：“看來最黏軟的模型肯定要被排除在外了。”

旋轉的星斑

NICER能成功測出中子星半徑，要歸功於中子星本身的行爲——當中子星快速旋轉時，表面熱斑（類似於地球磁極，但強度遠超後者）隨着中子星一起旋轉，併發出X射線。由於中子星的強大引力，即使是恆星遠端發出的X射線也會彎曲並傳播到我們這裏。NICER可以精確測量這些X射線的到達時間，從而幫助科學家在光年之外重現中子星的大小。

另一項研究也爲NICER的發現提供了支持。在弗吉尼亞州傑斐遜（Jefferson）實驗室開展的鉛半徑實驗（PREx）將一束電子發射到鉛中，並發現中子“皮膚”（也就是在鉛原子中，中子佔據的空間大小）大於質子“皮膚”。這一差異表明中子星直徑應比先前預測的大至多2千米。PREx成員皮耶卡雷維奇說：“這與NICER的結論完全一致。”該研究結果發表在《物理評論快報》上。

NICER的結論尚處於早期階段，因爲還需要進一步覈查。第三顆中子星的半徑也正在測算過程中，其結果將對證明NICER現階段結論的對錯起到重大作用。NASA戈達德太空飛行中心的NICER項目科學負責人扎文·阿祖馬尼安（Zaven Arzoumanian）說：“我們希望今年晚些時候能公佈這顆中子星的直徑，或許還會有一些其他信息。”

但就目前的結果來看，即使是宇宙中最緻密的中子星都不至於“緻密”到產生奇異物質。皮耶卡雷維奇說：“這是反對‘中子星核心發生劇烈相變’這一假說的第一個有力證據。”如果這個過程在中子星中都不會發生，它還會在其他地方發生嗎？“恐怕不會。”皮耶卡雷維奇表示。