當壹顆質量是太陽20倍的恒星死亡後，它會變成壹顆密度不可思議的中子星，大小相當於壹座城市。用美國國家航空航天局大學天體物理學家Zaven Arzoumanian的話說，中子星是“大多數人從未聽說過的最奇怪的物體”。壹塊乒乓球大小的中子星物質，重量超過6543.8+000億噸。
天文學家認為，中子星中的大多數質子和電子在重力的壓力下融合成中子——因此得名。但這不是最終結論。天文學家從未近距離觀測過中子星，地面實驗室也無法產生接近其密度的物質。因此，中子星的內部結構仍然是宇宙中的主要謎團之壹。
中子星含有已知引力最強的物質——再增加壹點質量，它們就會變成黑洞，本質上不是物質，而是極度彎曲的時空。“這個臨界狀態是什麽樣子的？”阿祖·馬格納因說，“這就是我們正在探索的。”為了回答這個問題，研究人員提出了幾種相互競爭的理論:
因為我們不能切開中子星看裏面是什麽，所以沒有簡單的方法來判斷這些理論哪個是正確的。盡管如此，科學家們還是取得了壹些進展。重大突破發生在2065438+2007年8月，研究人員通過地面實驗探測到兩顆中子星迎面碰撞產生的引力波。引力波是質量物體加速產生的時空波動。此次探測到的引力波攜帶了兩顆碰撞中子星的質量和大小等重要信息。利用這些信息，科學家可以進壹步確定中子星的性質和內部組成。
2065438+2007年6月在國際空間站開始運行的中子星內部成分探測器(NICER)也在幫助科學家收集線索。NICER監測脈沖星，即具有強磁場和快速旋轉的中子星。脈沖星發出的光束會不斷掃過星際空間。當地球處於光束掃過的區域時，我們會看到脈沖星在以驚人的頻率“閃爍”，最快的時候1秒可以閃爍700多次。通過這些實驗，科學家們有望發現中子星內部的情況。如果這個目標能夠實現，我們不僅可以更好地了解這類奇怪的天體，還可以了解極端條件下的物質和引力。
當恒星耗盡其核心的燃料並停止產生能量時，可能會發生超新星爆炸。中子星是由這次災難性的爆炸形成的。突然沒有了對手的引力，它會像活塞壹樣錘擊恒星，吹走外包層，砸碎核心。這個階段的恒星核心主要由鐵構成。強大的引力可以壓碎原子，將電子擠壓到原子核中，並與質子融合產生中子。聖路易斯華盛頓大學的物理學家馬克·阿爾福德說:“來自各個方向的壓力將鐵壓縮了6.5438億倍以上。”"直徑為十分之壹納米的原子變成了直徑為幾毫微微米的中子."就像把地球壓縮成壹個街區那麽大。當恒星停止坍縮時，內部中子的數量大約是質子的20倍。
物理學家認為，中子星的質量大約是太陽的1~2.5倍，它可能至少有三層。最外層是由氫和氦組成的氣態“大氣層”，厚度為幾厘米到幾米。這層大氣漂浮在外“殼”上，厚度約1 km，由原子核組成。在這壹層中，原子核以晶格結構排列，電子和中子填充在其中。最裏面的第三層包含了中子星的大部分質量，其具體成分仍然是個謎。這裏的原子核擠在壹起，幾乎沒有空間了，達到了核物理允許的最高密度。越靠近中子星的核心，每個原子核中的中子就越多。在某個地方，原子核將無法容納更多的中子，然後中子就會溢出。此時沒有原子核，只有原子核(即質子和中子)。最終，在中子星的最深處，這些粒子也可能被分解。
“我們對這種物質在異常高壓和高密度下的認識還處於假設階段。”阿爾福德說，“我們認為中子實際上可能已經被壓碎並相互重疊，所以妳不能把它視為中子流體，而應該稱之為誇克流體。”這種流體的確切形式仍然是壹個未決的問題。壹種可能是誇克形成了壹種“超流體”，它沒有粘性，理論上壹旦運動就永遠不會停止。中子星內部有可能存在這種奇異的物質狀態，因為誇克之間的關聯使得它們在足夠接近的情況下有可能形成束縛的“庫珀對”。
誇克本身就是費米子——它們的自旋量子數是半整數。當兩個誇克配對時，它們作為壹個整體表現為玻色子——它們的自旋是整數。這種變化意味著粒子將遵循新的定律。費米子服從泡利不相容原理，即兩個相同的費米子不能占據相同的狀態——但玻色子並沒有如此受限。在擁擠的中子星中，作為費米子，誇克必須擁有越來越高的能量，才能占據比其他誇克更高的能級。但是，變成玻色子後，都可以停留在最低能量狀態。當誇克對處於這種狀態時，就形成了超流體。
在密度最高的核心區域之外，中子保持完整，它們也可以配對形成超流體。事實上，科學家們確信中子星的殼層中存在超流體，證據來自脈沖星的“周期性跳躍”，即中子星的自轉在壹段時間內突然變快。中子星的自轉會自然變慢，而沒有摩擦的超流體流動不會變慢。當它們的轉速差變得太大時，超流體會將角動量傳遞給殼層。“這就像地震，”紐約州立大學石溪分校的天文學家詹姆斯·拉蒂默說。“中子星打嗝，突然釋放壹些能量，自轉頻率短時間增加，然後恢復。”
2011年，拉蒂默和他的同事們聲稱，他們在中子星的核心發現了超流體的證據，但他承認這仍然存在爭議。由墨西哥國立自治大學的丹妮·佩奇領導的拉蒂默團隊研究了仙後座A的X射線觀測數據..他們發現，星雲中心的脈沖星冷卻速度比傳統理論預期的要快。壹種解釋是，中子星中的壹些中子配對成超流體，當中子對分散和重組時，它們發出中微子，使中子星失去能量，冷卻下來。
超流體只是隱藏在中子星神秘大門後面的壹種可能性。中子星也可能是罕見的“奇異誇克”的家園。誇克有六種類型，或者更準確地說，六種味道——上、下、下、奇、頂、底。味道最輕的原子只有頂部和底部。其余的味道太不穩定，往往只在粒子加速器(如大型強子對撞機)的高能粒子碰撞實驗中短暫出現。
然而，在密度極高的中子星中，中子中的壹些上誇克和下誇克可能會變成奇怪的誇克(剩下的稀有味道——魅、頂誇克和底誇克太重，即使在這裏也無法形成)。如果奇異誇克出現，並與其他誇克束縛在壹起，就會形成中子的“變種”——超子。也有可能這些誇克根本不形成其他粒子，而是在“誇克湯”中自由漫遊。
物質的每壹種可能狀態都會顯著影響中子星的大小。用Azur Magnain的話說，中子“就像彈珠壹樣，形成壹個堅硬的固體核心”。固體核心將支撐外層，使中子星變大。另壹方面，如果將這些中子分解成壹鍋誇克膠子湯，就會形成壹個“柔軟的、糊狀的”核心，中子星的半徑也會變小。更好的實驗的目的是確定哪個解釋是正確的。該項目負責科學事務的首席研究人員之壹Azu Magnain表示:“NICER的壹個關鍵目標是測量中子星的質量和半徑，從而幫助我們選擇或排除壹些關於致密物質的理論。”
更好的是壹個洗衣機大小的盒子，安裝在國際空間站外面。它連續監測天空中的幾十顆脈沖星，並探測它們發出的X射線光子。NICER可以探測光子的能量和到達時間，以及光在中子星引力場下的彎曲程度，從而幫助科學家計算這些脈沖星的質量和半徑，並進行比較。
測量中子星的半徑可以有效地簡化關於中子星內部物質狀態的候選理論。科學家曾經認為中子星中壹半的中子會轉化成含有奇異誇克的超子。理論計算表明，這顆富含超子的中子星不可能超過太陽質量的1.5倍。然而在2010年，美國國家射電天文臺的保羅·德莫雷特領導的天文學家測量到壹顆中子星的質量是太陽的1.97倍。這壹發現排除了許多關於中子星內部的理論。現在物理學家估計中子星的超子含量不會超過10%。
研究單顆中子星我們收獲很多，但研究兩顆中子星的碰撞更有價值。多年來，天文學家通過望遠鏡觀察到壹些被稱為伽馬射線爆發的強烈閃光現象，他們壹直懷疑這種事件源於兩顆中子星的碰撞。通過2065438+2007年8月探測到的引力波，天文學家終於看到了中子星合並的第壹例。2017，17，歐洲的兩個實驗小組——LIGO和處女座——同時探測到了兩顆中子星相互進動，然後合並成壹顆中子星或黑洞時產生的引力波紋。
這並不是科學家第壹次探測到引力波，但之前的引力波都來自兩個黑洞的碰撞。不僅如此，這次科學家在探測引力波的同時，還用望遠鏡觀測到了來自天空同壹位置的電磁波。電磁波和引力波的結合提供了大量關於碰撞位置和過程的信息，對中子星物理的研究大有裨益。天體物理學家追蹤引力波，發現了壹對距離地球1.3億光年的中子星。引力波的細節，即頻率、強度和模式隨時間的變化，讓研究人員估算出兩顆恒星碰撞前的質量約為太陽的1.4倍，半徑為11~12 km。
這些信息可以幫助科學家構建壹個描述中子星性質的關鍵方程，即物態方程。這個方程描述了不同壓力和溫度下的物質密度，應該適用於宇宙中所有的中子星。對於中子星不同的內部狀態，理論家提出了幾種可能的狀態方程，新的觀測可以排除其中的壹些。比如這次觀測發現中子星的半徑比較小，這是相當令人驚訝的。如果我們試圖用同壹個狀態方程(比如1.97倍太陽質量)來描述這些致密中子星和已知的大質量中子星，有些理論就會陷入困境。
如果能提高引力波探測器的靈敏度，我們將獲得巨大的回報。例如，測試中子星狀態的壹種方法是尋找內部旋轉流體發出的引力波。如果壹種流體的粘度非常低或者為零——就像超流體壹樣——它會以壹種叫做R模式的特殊方式流動，並發出引力波。“這個引力波比合並發出的引力波弱很多。”阿爾福德說，“物質在安靜地抖動，而不是被撕裂。”阿爾福德和他的合作者證實，目前運行的先進LIGO探測器無法看到這種引力波，但有可能在未來看到升級版的LIGO和壹些計劃中的天文臺，如歐洲正在考慮的地基愛因斯坦望遠鏡。
解開中子星之謎可以幫助我們在無法理解的極端情況下理解物質。這種物質與構成我們世界的原子有很大不同，可以拓展我們的認知邊界。它可能會將壹些奇異的想法變成現實，例如類似流體的誇克物質、超流中子和不尋常的超子星。而且，了解中子星的意義更大:物理學家更深層次的目標是利用這些致密的恒星來解決更重要的未知問題，比如原子核內部相互作用的規律，以及物理學中最大的未解之謎——引力的本質。中子星只是研究核力的壹種方式，全世界的粒子加速器也在做這種研究，可以像顯微鏡壹樣窺探原子核。
當大多數核物理問題解決後，科學家們可以將註意力轉向引力。“中子星結合了引力物理學和核物理，”麻省理工學院的Or Hen說。“現在我們用中子星作為實驗室來研究核物理。因為我們可以利用地球上的原子核，所以我們希望最終能夠非常徹底地研究核物理的問題。然後我們可以利用中子星來研究引力，這也是最具挑戰性的物理問題之壹。”我們現在的引力理論是愛因斯坦的廣義相對論，很難和量子力學兼容。這兩個理論最終會有壹個做出讓步，物理學家不知道是哪壹個。“我們會知道的，”恒說。“這種前景令人振奮。”