中子星是宇宙間最神秘的天體之一，天文學(xué)家目前已了解其如何誕生，但其超致密內(nèi)核的結(jié)構(gòu)及其將上演何種劇情，仍是未解之謎。

今年6月初，芬蘭科學(xué)家在最新一期《自然·物理學(xué)》雜志撰文指出，他們已經(jīng)找到有力證據(jù)，證明迄今最大中子星內(nèi)核存在奇異的夸克物質(zhì)，將籠罩在中子星頭上的“神秘面紗”又揭開(kāi)了一層。

無(wú)獨(dú)有偶，去年12月，美國(guó)國(guó)家航空航天局的“中子星內(nèi)部成分探測(cè)器”（NICER）提供了一些有關(guān)中子星質(zhì)量和半徑迄今最精確測(cè)量結(jié)果，包括其磁場(chǎng)的數(shù)據(jù)。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員張承民對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者介紹說(shuō)：“本世紀(jì)20年代后將有大批科學(xué)前沿裝置投入到中子星的研究，比如美國(guó)和歐洲的引力波天文臺(tái)、中國(guó)‘天眼’FAST、國(guó)際SKA射電陣列等，將中子星研究從過(guò)去的多波段時(shí)代升級(jí)到當(dāng)今的多信使時(shí)代，中子星物理學(xué)的黃金時(shí)代已經(jīng)到來(lái)?！?/p>

中子星密度之大超乎想象

據(jù)張承民介紹，中子星是大質(zhì)量恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸后生成的質(zhì)量介于白矮星和黑洞之間的星體。當(dāng)一顆恒星死亡后形成致密星的質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量1.35到2.1倍時(shí)，常會(huì)形成中子星；小于太陽(yáng)質(zhì)量1.35倍時(shí)，很可能形成白矮星；大于太陽(yáng)質(zhì)量3.2倍時(shí)，則會(huì)形成黑洞。

張承民說(shuō)：“中子星是宇宙中最致密的天體之一，其密度之大超乎想象。地球直徑約為12756公里，如果把地球壓縮為一顆中子星，那么其直徑僅為44米，由此可見(jiàn)其密度之大?！?/p>

中子星身上迷霧重重

天文學(xué)家認(rèn)為，在引力擠壓下，中子星內(nèi)部的質(zhì)子和電子會(huì)交融形成中子，這也是中子星得名的緣由，但這并非最終結(jié)論。

張承民解釋道，天文學(xué)家從來(lái)沒(méi)有近距離透視過(guò)中子星，地球試驗(yàn)室也無(wú)法制造出接近其密度的物質(zhì)，因而，中子星身上迷霧重重。

首先，中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直是物理學(xué)領(lǐng)域的重大未解之謎。一些研究人員認(rèn)為，中子星內(nèi)核中心位置由中子霸占，但其他人則表示，巨大的壓力會(huì)將內(nèi)核物質(zhì)擠壓成更奇特的顆粒（膠子和夸克）。

其次，對(duì)于中子星內(nèi)部上演的劇情，科學(xué)家給出了不少劇本：夸克和膠子在其間自由游弋；或者，極端能量導(dǎo)致名為“超子”的粒子產(chǎn)生，超子也由三個(gè)夸克組成，除上下夸克，至少還包含一個(gè)奇夸克；中子星中央是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，在這種物質(zhì)狀態(tài)中，所有亞原子粒子的“行為”都像單個(gè)量子力學(xué)實(shí)體等等。但以上諸多情節(jié)都未曾獲得證實(shí)。

張承民解釋道：“中子星頭上還蒙著不少‘神秘面紗’，例如，中子星的磁場(chǎng)是如何形成和演化的，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星的磁場(chǎng)比常規(guī)脈沖星的磁場(chǎng)低約10000倍，其演化細(xì)節(jié)是打開(kāi)中子星磁場(chǎng)工作的奧秘；中子星的最小磁場(chǎng)和最大磁場(chǎng)由什么條件決定？觀測(cè)看到最快毫秒脈沖星的轉(zhuǎn)動(dòng)周期僅1.39毫秒，那么，宇宙間是否存在更快的轉(zhuǎn)動(dòng)？其速度如何形成？更重要的是，迄今還沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)脈沖星與黑洞的‘雙星之舞’，它們?cè)谟钪嫔钐幋嬖诘谋嚷适嵌嗌?？這些也是目前中國(guó)‘天眼’FAST關(guān)注的重要科學(xué)目標(biāo)之一?！?/p>

張承民指出：“中子星‘性格’獨(dú)特，研究它具有重要意義?！?/p>

首先，中子星高度致密，其引力場(chǎng)強(qiáng)度比地球高約億倍，超越了牛頓引力理論范圍，需要借助愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論來(lái)驗(yàn)證；其次，中子星的超強(qiáng)磁場(chǎng)也是等離子體理論在極端環(huán)境的應(yīng)用場(chǎng)所；再次，中子星的核心致密核物質(zhì)是檢驗(yàn)各種核物理理論的天然實(shí)驗(yàn)室； 另外，脈沖星精準(zhǔn)測(cè)量可用于自主導(dǎo)航，還可以驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的引力波預(yù)言，等等。

張承民強(qiáng)調(diào)說(shuō)：“脈沖星作為轉(zhuǎn)動(dòng)中子星，可進(jìn)行多波段觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，可大力提升大科學(xué)裝置的精密程度，也能為宇宙新發(fā)現(xiàn)提供載體。所以，脈沖星和中子星一直是各國(guó)天文學(xué)家和物理學(xué)家積極關(guān)注的熱點(diǎn)。”

NICER欲管窺中子星

據(jù)張承民介紹，為揭示中子星的秘密，科學(xué)家發(fā)射了NICER空間探測(cè)器，主要目標(biāo)是收集脈沖星（旋轉(zhuǎn)中子星）發(fā)出的X射線。

《自然》雜志的報(bào)道指出，NICER觀測(cè)結(jié)果和其他觀測(cè)結(jié)果使天體物理學(xué)家能確定中子星的質(zhì)量和半徑，而這兩個(gè)屬性可以幫助確定中子星內(nèi)核正在上演什么故事。

NICER的首個(gè)目標(biāo)是編號(hào)J0030 + 0451的脈沖星，初步觀測(cè)結(jié)果表明，這顆“孤獨(dú)”脈沖星的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的1.3或1.4倍，半徑約為13公里。NICER將繼續(xù)對(duì)其展開(kāi)觀測(cè)，進(jìn)一步提高測(cè)量其半徑的精度。

NICER團(tuán)隊(duì)希望未來(lái)兩三年能使用NICER計(jì)算出另外六個(gè)目標(biāo)的質(zhì)量和半徑，并將其半徑的精度限制在0.5公里以內(nèi)。在此精度下，研究人員可以驗(yàn)證所謂的中子星物質(zhì)狀態(tài)方程，該方程描述了中子星的質(zhì)量與半徑（或內(nèi)部壓力與密度）的關(guān)系。

此外，他們還計(jì)劃未來(lái)至少研究幾顆大質(zhì)量脈沖星，包括目前最大質(zhì)量中子星記錄保持者——一個(gè)為太陽(yáng)質(zhì)量2.14倍的中子星，這將使他們探究出中子星的質(zhì)量上限，即中子星坍塌成黑洞的臨界點(diǎn)。

多管齊下拓寬對(duì)中子星認(rèn)知

盡管在觀測(cè)中子星方面，NICER目前一馬當(dāng)先，但它并非唯一內(nèi)部深入探究脈沖星“內(nèi)心”的設(shè)備。

2017年，美國(guó)激光干涉儀引力波天文臺(tái)（LIGO）與歐洲的“室女座”（Virgo）探測(cè)器攜手，觀測(cè)到兩顆彼此并合的中子星產(chǎn)生的引力波，其中包含有關(guān)中子星大小和結(jié)構(gòu)的信息。無(wú)獨(dú)有偶，2019年4月，LIGO觀測(cè)到第二次中子星并和事件。但當(dāng)前設(shè)備無(wú)法觀測(cè)到并和最后一刻的情況，那時(shí)兩顆中子星的扭曲最大，相關(guān)數(shù)據(jù)能清楚揭示中子星的內(nèi)部情況。

《自然》雜志稱，日本的“神岡”引力波探測(cè)器將于今年晚些時(shí)候投入使用；印度的引力波觀測(cè)天文臺(tái)也將于2024年啟動(dòng)，這些設(shè)施與LIGO和Virgo強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，將提高觀測(cè)靈敏度，并有可能捕獲中子星并和最后時(shí)刻的細(xì)節(jié)。

據(jù)張承民介紹，放眼未來(lái)，一些儀器設(shè)備已列入計(jì)劃，它們或許可以開(kāi)展NICER和目前的引力波觀測(cè)站無(wú)法進(jìn)行的觀測(cè)活動(dòng)。例如，中國(guó)和歐洲預(yù)計(jì)將于2027年發(fā)射“增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)”衛(wèi)星，研究單獨(dú)中子星及雙星中子星，幫助確定它們的狀態(tài)方程。另外，“寬帶能量X射線光譜時(shí)間分辨天文臺(tái)”將使用NICER的熱點(diǎn)技術(shù)，以更高精度確定至少20個(gè)中子星的質(zhì)量和半徑，這一天文臺(tái)擬于本世紀(jì)30年代發(fā)射。

張承民說(shuō)：“過(guò)去科學(xué)家在光子的視線下觀察中子星，以后將在各種宇宙視線下查看中子星的全景，并且探測(cè)精度也伴隨電子技術(shù)、信息技術(shù)及人工智能大數(shù)據(jù)不斷升級(jí)，開(kāi)拓出精細(xì)與精準(zhǔn)的中子星認(rèn)知時(shí)代?！?/p>