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中子 革命性發(fā)現，不同質量的中子星具有相同的大小，顛覆了天體模型

中子 革命性發(fā)現，不同質量的中子星具有相同的大小，顛覆了天體模型
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在已知的宇宙中，沒有什么能與中子星相提并論。這些天體誕生于超新星爆發(fā)，在城市大小的空間中包含恒星大小的質量。這種獨特的特性讓科學家們相信，一些極端的物理現象可能發(fā)生在它們的內部——甚至可能是中子本身溶解成一種稱為夸克物質的柔軟黏性物質。
然而，我們無法窺視中子星的內部，所以我們必須依靠我們能夠測量的特性，即它們的質量和大小。夸克物質在恒星引力作用下應該比完整的中子更容易被壓縮，所以如果中子星充滿了核黏性物質，它們不僅應該很小，而且會隨著質量的增加而變小。
不幸的是，要測量一個幾千光年之外的幾公里寬的物體的確切大小是極其困難的。法國國家科學研究中心的理論物理學家米凱拉·厄特爾（Micaela Oertel）說，對中子星質量和大小的綜合測量是“中子星物理學的圣杯”。
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但是在2019年，NASA的中子星內部組成探測器測量了一顆名為J0030的中子星的大小，它的質量是太陽質量的1.4倍，距離地球1000光年，直徑約為26公里。現在，利用更好的數據，兩個獨立的團隊對另一顆距離地球3000光年的中子星J0740進行了同樣的分析。
結果令人驚訝。J0740是已知的質量最大的中子星，質量為太陽的2.1倍，比J0030大50%。然而，這兩個中子星的大小基本上是一樣的。
中子 革命性發(fā)現，不同質量的中子星具有相同的大小，顛覆了天體模型
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這一發(fā)現意味著中子星可能是奇異的，但還不至于奇異到它們消滅了中子本身。佛羅里達州立大學的理論物理學家豪爾赫·皮卡列維茨（Jorge Piekarewicz）)說：“這可能表明，這些非常奇異的物質狀態(tài)在中子星的核心可能無法實現。”
一顆質量為太陽8到20倍的巨星在生命結束時耗盡其燃料，中子星就形成了。由于沒有向外的壓力來對抗恒星的引力，它就坍塌了。它的外殼向外爆炸，形成一顆超新星，只留下高密度的核心——中子星。
在由離子和電子組成的薄殼下面是中子星的核心，占其全部質量的99%。在那里，質子和電子被緊緊地擠在一起，形成了一個以中子為主的“海洋”。然而，如果把這些粒子進一步推向內核，更奇怪的事情可能會發(fā)生。其中一篇新論文的主要作者、馬里蘭大學的天體物理學家科爾·米勒（Cole Miller）說，“這里有一個夸克的海洋，而不是單個的中子和質子。夸克是中子和質子的組成部分。”
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到目前為止，一些模型預測，質量足夠大的中子星會產生巨大的密度，以至于它們會把中子和質子分裂成夸克。阿姆斯特丹大學天體物理學家安娜·沃茨（Anna Watts）說，“由于它們的內部經歷了從常規(guī)物質向相對可壓縮的夸克物質的轉變，半徑應該會變小。”
另一方面，一些模型的預測卻恰恰相反。相變可能要到中子星坍縮成黑洞的時候才會發(fā)生。問題是，如果有什么奇怪的東西在高密度下形成，它什么時候開始起作用？
【 中子|革命性發(fā)現，不同質量的中子星具有相同的大小，顛覆了天體模型】瓦茨說，如果像J0740這樣的中子星經歷了這種相變，并且包含更多“可壓縮的”夸克物質，那么它的直徑應該在9到16公里之間。然而，米勒說，即使考慮到不確定性，研究人員已經確立了22公里直徑的“相當強的下限”。
結果表明，中子星形成夸克物質的質量超過2.1太陽質量。相反，即使在最極端的尺度下，質子和中子也可能持續(xù)存在。瓦茨說：“看起來最柔軟的模型肯定被排除了。”
由于中子星本身的特性，更好的方法可以測量中子星的半徑。當它們快速旋轉時，它們表面的熱點——就像在地球上發(fā)現的那些磁極，但被大大放大了——隨著它們旋轉，發(fā)射出x射線。由于中子星的巨大引力，即使是發(fā)生在恒星遠端的光也會被引力彎曲。更精確地測量這些x射線的到達時間使科學家能夠確定中子星的大小。
杰斐遜實驗室的一項最新結果似乎支持了這一革命性的發(fā)現。通過向鉛發(fā)射一束電子，科學家發(fā)現所謂的中子“皮”比質子“皮”要大。這種差異表明中子星應該比以前的預測大2公里。研究結果發(fā)表在《物理評論快報》上。
這一研究仍處于早期階段，一些不確定性需要被修正。第三個中子星的半徑正在被測量中，這可能在確認或駁斥這些發(fā)現方面起到很大的作用。目前為止，研究結果指向了一些有趣的東西。即使是中子星——宇宙中密度最大的物質集合，其密度也可能不足以產生某種形式的奇異物質。這是第一個有力的證據，證明中子星的核心存在戲劇性的相變。

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