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中子星有多大?迄今为止最精确的答案出炉!

中子星到底有多大?

一个国际研究团队结合引力波,多信使天文学和核物理,利用这样一种全新的方法计算得到了迄今为止最精确的中子星大小

由马克斯·普朗克引力物理研究所(阿尔伯特·爱因斯坦研究所,AEI)成员领导的国际研究团队获得了关于中子星大小的新测量方法。 为此,它们结合了对中子星的未知行为的一般性第一性原理和对双中子星合并GW170817的多信使观测。 如今,他们的研究结果出现在的 《自然天文学》中,其严格程度比以前的标准高了两倍,并且表明典型的中子星的半径接近11公里。他们还发现,在大多数情况下,带有黑洞的中子星可能会被整个吞噬,除非黑洞很小并且/或者快速旋转。这意味着在这种合并可能被视为引力波源的情况下,它们在电磁波谱中是不可见的。

美国国家航空航天局汉诺威分校研究员和自然天文学研究的主要作者科林·卡帕诺说:“二元中子星合并是信息的金矿”!“中子星包含可观察到的宇宙中最稠密的物质。 实际上,它们是致密而紧凑的,您可以将整个星形视为单个原子核,并按比例放大到一个城市的大小。 通过测量这些对象的属性,我们可以了解在亚原子级进行管理的基本物理原理。”

阿尔伯特·爱因斯坦研究所汉诺威研究团队的领导人巴德里·克里希南说:“我们发现典型的中子星大约是我们太阳的1.4倍,半径约为11公里”,“我们的结果将半径限制在10.4公里到11.9公里之间,这是比以前的结果严格的两个重要因素。”

中子星是天文学家可以直接观察到的最稠密的东西,根据新的发现,可以将近半数的地球质量撞击到整个22公里的地球上。此插图将中子星的大小与汉诺威市进行了比较,汉诺威位于德国,是阿尔伯特·爱因斯坦研究所汉诺威的故乡。

双中子星合并成为天体宝藏的宝库。

中子星是紧凑的,它是超新星爆炸的残余物。它们大约是一个城市的大小,是我们太阳质量的两倍。如何富含中子物质的极端致密性是未知的,并且不可能在地球上的任何实验室中创建此类条件。物理学家提出了各种模型(状态方程),但是这些模型的正确描述自然界中的中子星(如果有的话)是未知的。

两颗令人振奋的中子星合并的数字相关性模拟。高密度显示为橘红色,低密度显示为蓝色。

数字相关性模拟:迪特里希(T.Dietrich)(马克斯·普朗克引力物理研究所) 和BAM合作;科学可视化:迪特里希,奥索科(S.Ossokine),法伊弗(H.Peiffer),布诺南诺(A.Buonanno)(马普引力物理研究所)。两颗中子星的合并是最令人振奋的天体物理事件,通过它能近一步探测到更多的极端条件和核物理基础。例如GW170817,在2017年八月份它被观测到了引力波的波动和整段电磁波谱的图谱。由此科学家们能够依次探测出中子星的物理构成,比如它们的半径和质量。

研究团队使用了一个基于第一原理的描述的模型,该模型描述了亚原子粒子在中子星内部的高密度下是如何相互作用的。据团队展示,在长度的理论计算中,数亿光年以外所观测的天体物理对象仅有惊人的万亿分之一毫米。

“这有些不可思议,”卡普亚(Capano)说,“GW170817是1200万年前恐龙遍布地球的时候,在十万亿公里外的星系中,由两颗城市大小的天体碰撞形成的。由此我们在把目光转向了亚原子物理学。”

一颗中子星有多大?研究学者们使用第一原理预测了中子星的全部可能状态方程,而这些方程衍生自原子物理。在所有可能的方程里,研究人员选择的依据是其能够解释不同的物理观测现象。他们选择模型的依据为:

与激光干涉引力波天文台LIGO/Virgo公开的已观测到的GW170817引力波数据相符。

能够生成生命周期短暂的超大质量中子星作为中子星合并的结果。

能够与从GW170817的观测到的中子星已知最大质量电磁波数据的约束条件相符。

这不仅仅使研究人员能够获得致密物质物理的准确信息,同时也能获得到目前为止中子星最严谨的体积范围。

未来引力波和“多信使”的观测

出版物的合著者,汉诺威AEI(阿尔伯特爱因斯坦研究所)的一位博士生Stephanie Brown说道:“这些结果令人激动,不只是因为我们如今能够大幅度改进对中子星半径的测量,更是因为这得以让我们窥见双星合并后中子星的最终宿命。”这项最新的结果表明,通过类似于GW170817中子星合并事件,LIGO(美国激光干涉引力波天文台)以及Virgo(意大利引力波天文台)灵敏探测器仅从引力波上就很能容易地辨别出是双中子星合并抑或是双黑洞合并。在GW170817事件中,电磁波频谱的观测对于上述两者的区分有着至关重要的作用。

研究团队同时发现,对于“混合并”(中子星与黑洞合并)而言,单独的引力波合并观测对其与双黑洞的区分较为困难。而电磁波频谱观测或是对合并后的引力波观测在区分两者时有关键的作用。

然而,新结果也表明混合双星合并的“多信使”观测不可能发生。Capano解释说:“我们已经展示在多数情况下,中子星宁愿吞噬整个黑洞也不会被黑洞撕扯成碎片。只有当黑洞非常小或是快速旋转时,它才会在吞噬前扰乱中子星,也只有在这种情况下,我们才能期盼看见除了引力波之外的更多东西。”

前路光明

在接下来的十年中,现有的探测器将变得更灵敏,新增的探测器也会开始进行探测任务。研究团队期盼更强引力波探测和可能的双中子星合并“多信使”观测。对中子星和核物理的深层研究而言,每一次的合并都是一个宝贵的机会。

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