由马克斯·普朗克引力物理研究所，阿尔伯特·爱因斯坦研究所（AEI）科学家领导的一个国际研究小组，最新获得了关于中子星有多大的新测量结果。为此，科学家将对中子星物质未知行为的一般第一原理描述与双中子星合并GW170817的多信使观测相结合，其研究成果发表在《自然天文学》期刊上，比之前的约束严格了两倍，典型的中子星半径接近11千米。
研究还发现，在大多数情况下，与黑洞合并的中子星可能会被整个吞噬，除非黑洞很小或旋转很快。这意味着，虽然这种合并可能作为引力波源是可以观测到的，但它们在电磁光谱中是看不见的。研究的主要作者、阿尔伯特·爱因斯坦研究所研究员科林·卡帕诺说：双星中子星合并是信息的金矿！除黑洞外，中子星包含可观测宇宙中密度最大的物质。事实上，它们是如此的致密和体积微小：
以至于可以把整个中子星想象成一个单原子核，放大到一座城市的大小。通过测量这些天体的性质，科学家了解了在亚原子水平上支配物质的基本物理。阿尔伯特·爱因斯坦研究所、研究小组的负责人巴德里·克里希南(Badri Krishnan)说：我们发现，典型中子星质量大约是太阳的1.4倍，半径约为11千米，而新研究结果将半径限制在10.4~11.9千米之间，这是比之前结果更严格的两个因素，也更加精确！
天体物理宝库之双中子星合并
中子星是一种致密的超新星爆炸残骸，中子星的大小大约相当于一座城市大小，其质量范围在1.44倍太阳质量以上（白矮星的最大质量极限，称为钱德拉塞卡极限）、3.2倍太阳质量以下（中子星的最大质量极限，称为奥本海默极限）。这种中子含量丰富、密度极高的物质行为尚不清楚，在地球上的任何实验室都不可能创造出这样的条件。
（上图所示）一颗典型半径为11公里的中子星大约相当于一座中型城市的大小。图片：NASA"s Goddard Space Flight Center
物理学家们提出了各种模型（状态方程），但尚不清楚这些模型中有哪些（如果有的话）能正确描述自然界中的中子星物质。双中子星的合并：例如2017年8月在引力波和整个电磁谱中观察到的GW170817，是最令人兴奋的天体物理事件之一。因为它可以更多地了解极端条件下的物质和潜在的核物理，由此，科学家可以反过来确定中子星的物理属性，如它们的半径和质量。
研究小组使用了一个基于第一原理描述的模型，该模型描述了亚原子粒子如何在中子星内发现的高密度下相互作用。值得注意的是：长度尺度小于万亿分之一毫米的理论计算，可以与对超过1亿光年的天体物理对象观测进行比较。这有点令人难以置信，GW170817是由1.2亿年前两个城市大小的天体相撞引起，当时恐龙正在地球上行走，从那以后，科学家对亚原子物理有了更多的洞察。
中子星有多大？
科学家使用第一原理描述预测了中子星一整套可能的状态方程，这些方程直接来自核物理。从这整套中，研究人员选择了最有可能解释不同天体物理观测的成员：
1）这与来自公共LIGO和Virgo引力波天文台数据的GW170817引力波观测结果一致；
2）作为合并的结果，它们产生了一颗短寿命的超大质量中子星；
3）这与GW170817电磁波段对应观测对中子星最大质量的已知约束一致；
这不仅使研究人员获得了关于致密物质物理的可靠信息，而且还获得了迄今为止对中子星大小的最严格限制。
未来的引力波和多信使观测
研究的合著者、阿尔伯特·爱因斯坦研究所的博士生斯蒂芬妮·布朗(Stephanie Brown)表示：这些结果令人兴奋，不仅因为我们能够极大地完善中子星半径的测量，还因为它给了我们一个窗口，让我们了解中子星在合并双星过程中的最终命运。新的结果意味着：有了像GW170817这样的事件，处于设计灵敏度的LIGO和室女座引力波探测器将能够很容易地从引力波中区分出是两颗中子星还是两个黑洞的合并。
对于GW170817来说，电磁光谱中的观测，对于做出这样的区分是至关重要的。研究小组还发现，对于混合双星（一颗与黑洞合并的中子星），仅靠引力波合并观测将很难将此类事件与双星黑洞区分开来，合并后的电磁谱和引力波观测将是区分它们的关键。然而，事实证明，新研究结果也暗示了混合双星合并的多信使观测不太可能发生。研究已经证明，在几乎所有的情况下，中子星都不会被黑洞撕裂被我们观测到，而是会被整个吞噬。
光明的未来在前方
只有当黑洞非常小或旋转很快时，它才能在吞噬中子星之前破坏它；只有这样，才能预期看到引力波以外的任何东西。在接下来的十年里，现有引力波探测器将变得更加灵敏，更多的探测器将开始观测。研究小组预计会有更多非常“响亮”的引力波被探测到，并可能从合并的双星中子星中观测到更多多信使信号。这些合并中的每一次，都将提供极好的机会来了解更多关于中子星和核物理的知识。
博科园｜研究/来自：马克斯·普朗克学会、阿尔伯特·爱因斯坦研究所
参考期刊《自然天文学》
DOI: 10.1038/s41550-020-1014-6
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