科學(xué)家們稱量了一顆中子星的重量，以瞥見里面奇怪的物理學(xué)

中子星是宇宙中最極端的物體之一。它們由超巨星坍縮的核心形成，比我們的太陽還重，但又被壓縮成一個城市大小的球體。

這些奇特恒星的致密核心包含被壓扁成獨(dú)特狀態(tài)的物質(zhì)，我們不可能在地球上復(fù)制和研究。這就是為什么美國宇航局的任務(wù)是研究中子星，并了解控制其中子星內(nèi)部物質(zhì)的物理學(xué)。

我和我的同事們一直在幫助他們。我們使用了來自快速旋轉(zhuǎn)的無線電信號中子星來測量其質(zhì)量。這使得科學(xué)家能夠利用美國宇航局的數(shù)據(jù)來測量恒星的半徑，這反過來又為我們提供了關(guān)于內(nèi)部奇怪物質(zhì)的最精確信息。

中子星里面有什么？

中子星核心的物質(zhì)甚至比原子核的密度還要大。作為宇宙中最致密的穩(wěn)定物質(zhì)形式，它被擠壓到極限，處于崩潰的邊緣。黑洞.

了解物質(zhì)在這些條件下的行為是對基礎(chǔ)物理學(xué)理論的關(guān)鍵考驗。

美國宇航局的中子星內(nèi)部成分探索R（NICER）任務(wù)正試圖解開這件極端事情的謎團(tuán)。

NICER是國際空間站上的X射線望遠(yuǎn)鏡。它檢測來自中子星表面熱點(diǎn)的X射線，那里的溫度可以達(dá)到數(shù)百萬度。

科學(xué)家們對這些X射線的時間和能量進(jìn)行建模，以繪制熱點(diǎn)并確定中子星的質(zhì)量和大小。

了解中子星的大小與其質(zhì)量的關(guān)系將揭示其核心中物質(zhì)的“狀態(tài)方程”。這告訴科學(xué)家中子星有多軟或多硬——多么“可擠壓”——以及它是由什么組成的。

一個較軟的狀態(tài)方程表明，核心中的中子正在分裂成一個由較小粒子組成的奇特湯。更硬的狀態(tài)方程可能意味著中子抵抗，導(dǎo)致更大的中子星。

狀態(tài)方程還決定了中子星在何時被撕裂時碰撞.

解開與中子星鄰居的謎團(tuán)

NICR的主要目標(biāo)之一是一顆名為PSR J0437-4715的中子星，它是最近和最亮的毫秒脈沖星.

脈沖星是一顆中子星，每次中子星旋轉(zhuǎn)時，我們都會發(fā)射無線電波束作為脈沖觀察。

這顆特殊的脈沖星每秒旋轉(zhuǎn)173次（與攪拌機(jī)一樣快）。近 30 年來，我們一直在觀察它穆里揚(yáng)，新南威爾士州的CSIRO帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡。

處理NICER數(shù)據(jù)的團(tuán)隊面臨著這個脈沖星的挑戰(zhàn)。來自附近星系的X射線使得準(zhǔn)確模擬中子星表面的熱點(diǎn)變得困難。

幸運(yùn)的是，我們能夠使用無線電波來找到脈沖星質(zhì)量的獨(dú)立測量值。如果沒有這些關(guān)鍵信息，該團(tuán)隊就無法恢復(fù)正確的質(zhì)量。

稱量中子星的重量與時間有關(guān)

為了測量中子星的質(zhì)量，我們依賴于愛因斯坦理論所描述的效應(yīng)廣義相對論，稱為夏皮羅延遲。

大而密集的物體，例如脈沖星——在這種情況下，它的伴星，一顆白矮星——扭曲空間和時間。脈沖星和這個伴星每5.74天繞彼此公轉(zhuǎn)一次。

當(dāng)脈沖星的脈沖穿過白矮星周圍的壓縮時空傳播到我們身邊時，它們會延遲幾微秒。

這種微秒級的延遲很容易用來自PSR J0437-4715等脈沖星的Murriyang來測量。這顆脈沖星，以及其他類似的毫秒脈沖星，經(jīng)常被觀測到Parkes Pulsar 定時陣列Project，使用這些脈沖星來檢測引力波.

由于PSR J0437-4715離我們相對較近，因此從我們的角度來看，當(dāng)?shù)厍驀@太陽移動時，它的軌道似乎會輕微晃動。這種擺動為我們提供了有關(guān)軌道幾何形狀的更多細(xì)節(jié)。我們將其與夏皮羅延遲一起使用，以找到白矮星伴星和脈沖星的質(zhì)量。

PSR J0437-4715的質(zhì)量和尺寸

我們計算了一下這顆脈沖星的質(zhì)量是典型的中子星，質(zhì)量是太陽的1.42倍。這很重要，因為這顆脈沖星的大小也應(yīng)該是典型中子星的大小。

然后，使用NICER數(shù)據(jù)的科學(xué)家能夠確定X射線熱點(diǎn)的幾何形狀并計算出來中子星的半徑為11.4公里.這些結(jié)果給出了最精確的錨點(diǎn)然而，在中密度下發(fā)現(xiàn)了中子星的狀態(tài)方程。

我們的新圖片已經(jīng)排除了最軟和最硬的中子星狀態(tài)方程?？茖W(xué)家們將繼續(xù)解讀這對中子星內(nèi)核中存在奇異物質(zhì)的確切意義。

理論認(rèn)為，這個問題可能包括具有逃離了他們正常的家在較大的顆?；蚍Q為超子.

這些新數(shù)據(jù)增加了一個新興的中子星內(nèi)部模型，該模型也得到了觀察來自碰撞中子星的引力波和相關(guān)的爆炸，稱為千新星。

Murriyang 在協(xié)助 NASA 任務(wù)方面有著悠久的歷史，并被譽(yù)為以下機(jī)構(gòu)的主要鏡頭接收者：阿波羅11號月球漫步的大部分.

現(xiàn)在，我們已經(jīng)使用這臺標(biāo)志性的望遠(yuǎn)鏡來“權(quán)衡”中子星內(nèi)部的物理學(xué)，從而推進(jìn)我們對宇宙的基本理解。

丹尼爾·里爾登，脈沖星定時和引力波博士后研究員，斯威本科技大學(xué)

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