中子星如何“玩它凉”可以解锁异域物理学

By Keith Cooper

published 4 hours ago

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    将中子星的冷却速率与它们的状态方程匹配可以帮助科学家弄清楚一个引力的量子理论。

艺术家的其中一颗凉的中子星的印象。 Image credit: ICE-CSIC/D. Futselaar/Marino et al. (Image credit: ICE-CSIC - D. Futselaar - Marino et al.)

    科学家们已经发现在其他爆炸恒星的火焰中诞生的三颗中子星已经令人惊讶的冷却掉，把我们更带近理解这些极端天体的核内物质的异域性质。

    这一发现被巴塞罗那空间科学研究所（ICE-CSIC）的阿莱西奥·马里诺（Alessio Marino）领导的西班牙团队用欧洲和美国的以X射线光工作的望远镜做出。

    中子星是一颗已经成超新星的大质量恒星的坍塌的核，在一个跨度约6.8英里（11公里）的球形体积中能包含近三倍我们太阳的质量。所有物质都压缩在如此一个小区域内意味着中子星是在已知宇宙中物质最密集中中，仅次于黑洞。为了使这种说法更相关的，请考虑一汤匙中子星物质如何与珠穆朗玛峰的质量相媲美。

    这种极端性质也意味着规制中子星内部的物理学仍然是模糊的。这些天体开始被称为中子星是因为它们的物质已经被压碎到这样一个程度以至于带负电的电子和带正电的质子被一起粉碎克服它们之间的静电力来形成一个只充满中性中子的天体。在一颗中子星核的更深处，物质可能被甚至更大程度压碎，形成异域的、之前从未见过的粒子如假设的超子。科学家相信也许中子本身可能会在一个中子星内爆裂开，创造一个宇宙的最基本的粒子夸克的汤。

    在一颗中子星内部发生的被中子星状态方程规制。可以把它想象成一本基于像中子星的质量、温度、磁场等因素确定一颗中子星的内部结构和成分的剧本。麻烦的是科学家们字面上对这个状态方程可能是的有数百种选择。由于我们不能在地球上复制一颗中子星内部的条件，测试哪种模型是正确的是高度的依靠将它们与天文观测告诉我们的匹配。

    然而，现在与其他同龄中子星相比，三颗表面有实在的更低温度的中子星的发现已经提供一条大线索，允许研究人员一下子排除四分之三的中子星状态方程的可能模型。其中两颗中子星是脉冲星，它们是快速旋转的向我们发射射电射流束的中子星。第三颗中子星在帆船座超新星残骸中，没有显示脉冲星行为，但这可能只是因为它的射电喷流没有指向我们的方向。

    中子星被用欧洲航天局的XMM-牛顿望远镜和美国宇航局的钱德拉X射线天文台在X射线波长下探测到。

    欧洲航天局XMM-牛顿科学家卡密勒（Camille Diez）在一份声明中说，“XMM-牛顿和钱德拉的极高灵敏度不仅使来探测这些中子星成为可能，而且可以收集足够的光来确定它们的温度和其他属性”。

    一颗中子星越热，它的X射线就越高能，而来自这三颗中子星的X射线的能量告诉我们就中子星而言它们是相当的寒冷。我们说“寒冷的”但中子星仍然是异常的炎热，温度范围在190万至460万摄氏度（340万至830万华氏度）之间。然而，对它们的范围从840岁到7700岁不等的年轻年龄，基于围绕它们超新星残骸的大小和膨胀速度它们被考虑为是杰出寒冷的。中子星出生时有为数千亿度甚至一万亿度的温度，虽然它们确实凉，但其他类似年龄的中子星有高两倍的温度有时甚至比这更热。 

    中子星能经由两种机制凉。一种是通过来自它们表面的热辐射，允许热能逃逸进寒冷的太空中。另一种是中微子发射，这从一颗中子星的核窃取能量，并被认为对这个特定中子星三重奏快速冷却是负责的。

    然而，这些机制能多快冷却中子星的结果取决于状态方程。

    其中一位研究人员加泰罗尼亚空间科学研究所和空间研究所的南大（Nanda Rea）在声明中说，“这三颗中子星的年轻和寒冷的表面温度只能通过诉诸一个快速冷却机制解释，由于增强的冷却只能被某些状态方程激活，这允许我们来排除可能的模型的很大一部分”。

    它们不刚好吗？该团队估计在此结果之后，所有可能模型的四分之三能被忽略。研究人员能够通过计算冷却曲线来确定这个，这些曲线基本上是显示中子星如何相关到时间冷却的图表。曲线的形状高度依赖于中子星的属性如质量和磁场强度，因此，通过用机器学习，该团队计算了最能描述每条冷却曲线的参数范围，然后将这些参数与潜在的状态方程相匹配，看哪些仍然匹配的哪些因为匹配数据的机会为零可以被抛弃。

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    这个过程已经缩小了可能的状态方程的范围，但这些发现不止于只是特征化中子星。物质在亚原子尺度上在高压、极端温度和压碎引力下的行为也引入量子效应。科学家目前缺乏一个引力的量子理论，因此一个中子星的状态方程可以把我们设在走上将量子效应和高引力物理学最终结合在一起的单一理论的道路。

    6月20日发表在《自然天文学》杂志上的一篇论文描述了这一发现。