黑科技 科学 发现质量大到几乎不可能存在的中子星

发现质量大到几乎不可能存在的中子星

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天文学家透过位在美国西维吉尼亚州的绿堤电波望远镜发现一颗迄今已知质量最大的中子星,这是一颗自转速度极快的脉冲星,距离地球约4600光年远。这颗打破历史纪录的中子星,质量几乎达到理论预测中子星质量上限,这是最让天文学家们瞩目的一点。

发现质量大到几乎不可能存在的中子星插图
艺术家想像的大质量中子星行经白矮星后方时,脉冲星讯号有时间延迟现象示意图。Credit: BSaxton, NRAO/AUI/NSF。

中子星基本上是大质量恒星生命末期经历超新星爆炸后,残余核心被压缩而成,是已知宇宙中最稠密的“正常”天体。(理论上黑洞密度应该更大,但它已不算“正常”天体范围。)在中子星上,一颗方糖大小的中子星物质重量相当于地球上的1亿吨重,或相当于地球上全人类的总重量。虽然天文学家和物理学家致力研究这些天体,但了解依然不够。例如:中子星破裂后会变成“超流体”,能自由流动吗?碎裂后的中子星会变成一团次原子夸克还是什么怪异粒子?让重力赢得最后胜利,使中子星变成黑洞的质量临界点是什么?

Thankful Cromartie等人参与的北美奈赫兹重力波天文台联合观测,利用GBT发现一颗快速自转的毫秒脉冲星(millisecond pulsar)J0740+6620,并测出其质量约为2.17倍太阳质量,直径却仅约30公里,比南京市大一些,但已经是迄今已知所有中子星中质量最大的,且接近理论上的中子星质量上限,再多一点可能就会因重力塌缩成黑洞。近期利用LIGO测量中子星碰撞而产生的重力波等工作也建议:2.17倍太阳质量,可能已经非常接近中子星质量上限。这些天体由于质量很大,其内部特性可能与一般恒星截然不同,如果能找出其质量上限,对于了解这些天体的物理性质有极大助益。

脉冲星是快速自转中子星2磁极向外发射出电波束,随中子星自转而扫过宇宙空间,如同灯塔一般。有些脉冲星自转速度快到每秒自转数百次,即是所谓的豪秒脉冲星。这样的脉冲星因为自转速度极快且固定,天文学家能利用它们做为测时用的“宇宙钟”,并可协助天文学家研究时空性质,测量天体质量,以及增进对广义相对论的了解。

J0740+6620和一颗白矮星是一对双星系统,轨道面几乎侧向地球,天文学家可从这种食双星的互食周期和亮度变化等讯息,估算出两星的精确质量。当中子星从白矮星后方通过时,会因白矮星重力场造成附近时空弯曲之故,中子星发出的光得多绕点路,使脉冲星的脉冲电波讯号抵达地球时间有个约千万分之一秒的微小延迟,这种现象称为“夏皮罗时间延迟效应(Shapiro [time] delay)”。天文学家能利用这个微小延迟计算白矮星的质量。一旦绕着中子星的伴星质量确认后,就可以反过来确认食双星中的中子星J0740+6620的精确质量。

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作者: thinkou

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