一颗中子星在坍塌成一个黑洞之前能多紧凑？

By Keith Cooper published 4 hours ago

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这颗恒星的一勺物质能重十亿吨。

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艺术家的一颗中子星的印象。 (Image credit: ESA.)

通过开发一种新的描述中子星—这是已经成超新星的大质量恒星的残骸只是多紧凑的理论关系，研究人员已经发现了一种在非常极端条件下来测试核物理学的属特的方法。

作为一个大质量恒星的坍塌核，一颗中子星是一个小但难以置信密的天体，在一个小体积内包起高达我们的太阳质量三倍的质量。模型预测中子星的直径大约为十几英里，但它们的确切半径总是一直不清楚的。

法兰克福大学理论天体物理学教授露西阿诺（Luciano Rezzolla）告诉太空网站：“测量中子星物质的属性真的是非常困难的，这是因为虽然我们能非常准确地测量一颗中子星的质量，但来准确地测量它的半径是很难的”。

露西阿诺和他的法兰克福同事克利斯申（Christian Ecker）现在已经用他们的中子星致密性的新探究使事情一点更清楚。

为什么很难来确定一颗中子星的半径有几个原因。一个障碍是所有已知的中子星都是遥远的，但主要的挑战围绕着物理学家叫状态方程的。这描述一颗中子星内部的密度和压力，从中半径和其他属性能被精确推导出。

麻烦是在一颗中子星内部的条件是如此极端以至于它们推动我们的核物理的理解到极限。一勺中子星物质的重量能达数十亿吨。在这种巨大的压力下，原子被压碎，带正电的质子与带负电的电子合并来产生一个充满中子的物体。

但在一颗中子星的心脏异域物理学可能压倒：例如，叫超子的“奇怪”物质粒子可能存在，或者巨大的引力甚至造成中子来一起混合并迫使它们从几乎自由流动弄成夸克粒子。然而，没有办法来测试这个，因为科学家不能够在地球上的实验室内复制一个中子星内部的条件。这只是太极端了。

或者对中子星不是有一个状态方程而是有一整个可能的状态方程，每个模型都有一个描述一颗中子星内部可能的条件。

来评估一颗中子星能变得多致密，露西阿诺和克利斯申考虑了数万个状态方程。然而，来使事情更容易管理，他们仅观察了在每种案例可能的最大质量的中子星。

露西阿诺说：“广义相对论中一个众所周知的结果是对每个状态方程有一个允许的最大质量。任何大于最大质量的质量都将导致一个黑洞。我们从观测中知道允许的最大质量应该是在两到三个太阳质量之间” 。

露西阿诺和克利斯申惊讶地发现一颗中子星的致密性存在一个上限，基于此中子星的质量与它的半径之比总是小于1/3。

这个比率能被由于所谓的几何单位确定，几何单位通常被用于广义相对论物理学，允许质量以长度而不是重量表达。

露西阿诺说：“因为我们设定一个紧凑性的上限，我们能设定半径的下限。一旦我们测量一颗中子星的质量，我们可以说它的半径应该比它的质量更大三倍” 。

露西阿诺和克利斯申还发现，这个比率对所有状态方程成立，无论它们的最大质量是多少。这起初可能似乎令人惊讶因为人们会自动认为质量最大的中子星将是最紧凑的，因为它们已经有更强的试图来使它们收缩的引力。相反，在中子星内起作用的异域核物理似乎骑在这个之上并平衡东西出来。

这种关系部分从量子色动力学或QCD推导，量子色动力学是强力多将叫夸克的粒子结合来形成中子等粒子的理论。这种强大的力被叫胶子的粒子（这个名字来自它们将夸克粘在一起的事实）携带，量子色动力学是管理它们的量子场论，给它们一个被异想天开称为“色荷”的量子数。

露西阿诺和克利斯申应用基于量子色动力学的某些标准假设来推导它们的紧致度关系——他们将它描述为量子色动力学在中子星的内部结构上留下一个“印记”。这意味着如果从来有可能来精确测量一颗中子星的半径，那么与这种关系的任何偏差都将是一个大的某些与我们的量子色动力学 的理解是有问题的东西的线索。

露西阿诺说：“如果我们要看到一个违反这一结果，例如一颗中子星有一个大于1/3的致密性，那么这将表明在我们已经采用的量子色动力学假设中有某些东西是错的”。

也许是我们不必等待太久就能准确做出一颗中子星的半径的观测，从而这种关系和量子色动力学随后可以被测试。露西阿诺将前景描述为“乐观的”，并引用国际空间站上的中子星内部成分探测器（NICER）实验以及来自引力波事件的测量结果，其中一些涉及一个黑洞与一颗中子星的合并。到目前为止，只有一个案例GW 170817，已经被涉及两颗中子星的合并。

露西阿诺说：“如果我们只能看到更多像GW 170817这样的事件，我们可以对中子星的可能半径设定更严格的约束”。

露西阿诺和克利斯申的研究被发表在预印论文库 arXiv上。