多管齊下揭示奧秘，中子星物理學的黃金時代已經到來

中子星是宇宙間最神秘的天體之一，密度更高將進入黑洞，天文學家目前已非常了解其如何誕生，但其超緻密內核的結構及其間上演何種劇情，仍是未解之謎。而且，觀測到脈衝星與黑洞的史詩級「共舞」，也讓不少科學家心生嚮往。

去年12月，美國國家航空航天局（NASA）的「中子星內部成分探測器」（NICER）提供了一些有關中子星質量和半徑迄今最精確測量結果，以及其磁場的數據。

中國科學院國家天文台研究員張承民對科技日報記者介紹說：「此外，本世紀20年代后將有大批科學前沿裝置投入中子星的研究，比如美國和歐洲的引力波天文台，中國『天眼』FAST、國際SKA射電陣列、還有高能宇宙線和中微子，將中子星研究從過去的多波段時代升級到當今的多信使時代，中子星物理學的黃金時代已經到來。」

中子星是「何方神聖」

據張承民介紹，中子星是大質量恆星演化到末期，經由引力塌縮發生超新星爆炸後生成的質量介於白矮星和黑洞之間的星體。當一顆恆星死亡后形成緻密星的質量為太陽質量1.35到2.1倍時，常會形成中子星；小於1.35倍太陽質量時，很可能形成白矮星；大於太陽質量3.2倍時，則會形成黑洞。

張承民說：「中子星是宇宙中最緻密的天體之一，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，那麼其直徑僅為44米，由此可見其密度之大。」

身上迷霧重重

天文學家認為，在引力擠壓下，中子星內部的質子和電子會交融形成中子，這也是中子星得名的緣由，但這並非最終結論。

張承民解釋道，天文學家從來沒有近距離透視過中子星，地球試驗室也無法製造出接近其密度的物質，因而，中子星身上迷霧重重。

首先，中子星內部結構一直是物理學領域的重大未解之謎。一些研究人員認為，中子星內核中心位置由中子霸佔，但其他人則表示，巨大的壓力會將內核物質擠壓成更奇特的顆粒（膠子和夸克）。

其次，對於中子星內部上演的劇情，科學家給出了不少劇本：夸克和膠子在其間自由游弋；或者，極端能量導致名為「超子」的粒子產生，超子也由三個夸克組成，除上下夸克，至少還包含一個奇夸克；中子星中央是玻色-愛因斯坦凝聚態，在這種物質狀態中，所有亞原子粒子的「行為」都像單個量子力學實體等等。但以上諸多情節都未曾獲得證實。

張承民繼續解釋道：「此外，中子星頭上還蒙著不少『神秘面紗』，例如，中子星的磁場是如何形成和演化的，觀測發現毫秒脈衝星的磁場比常規脈衝星的磁場低約一萬倍，其演化細節是打開中子星磁場工作的奧秘；中子星的最小磁場和最大磁場由什麼條件決定？觀測看到最快毫秒脈衝星的轉動周期僅1.39毫秒，那麼，宇宙間是否存在更快的轉動？其速度如何形成？更重要的是，迄今還沒有人發現脈衝星與黑洞的『雙星之舞』，它們在宇宙深處存在的比率是多少？ 這些是目前中國『天眼』FAST關注的重要科學目標之一。」

張承民進一步指出：「中子星『性格』獨特，研究它具有重要意義。」

首先，中子星高度緻密，其引力場強度比地球高約億倍，超越了牛頓引力理論範圍，需要藉助愛因斯坦廣義相對論來驗證；其次，中子星的超強磁場也是等離子體理論在極端環境的應用場所； 再次，中子星的核心緻密核物質是檢驗各種核物理理論的天然實驗室； 另外，脈衝星精準測量可用於自主導航，還可以驗證愛因斯坦的引力波預言，等等。

張承民強調說：「更重要的是，脈衝星作為轉動中子星，可進行多波段觀測實驗——包括地面和空間實驗室，這可以大力提升大科學裝置的精密程度，也能為宇宙新發現提供載體。所以， 脈衝星和中子星一直是各國天文學家和物理學家積極關注的熱點。」