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NASA的NICER探测器测量物质的极限:探究中子星的可挤压性

2021-04-19 10:36 · 稿源:cnbeta

据外媒报道,爆炸的大质量恒星的致密残余物--中子星“心脏”中的物质采用了我们能测量的最极端形式。现在,得益于美国宇航局的中子星内部组成探测器(NICER)--国际空间站上的X射线望远镜--提供的数据,科学家们发现,这种神秘的物质比一些物理学家预测的更不容易被挤压。

太空

这一发现是基于NICER对PSR J0740+6620(简称J0740)的观测,它是已知最巨大的中子星,位于3600多光年外的北天星座鹿豹座(Camelopardalis)。J0740处于一个具有白矮星的双星系统中,每秒自转346次。之前的观测结果显示,这颗中子星的质量约为太阳的2.1倍。

"我们被正常的物质所包围,这是我们日常经验的东西,但我们对物质在极端条件下的行为,以及它是如何转变的有很多不知道,"美国宇航局戈达德太空飞行中心的NICER科学负责人Zaven Arzoumanian说。"通过用NICER测量中子星的大小和质量,我们正在探索即将内爆成黑洞的物质。一旦发生这种情况,我们就无法再研究物质,因为它被黑洞的事件视界所掩盖。"


Arzoumanian和NICER团队的成员于4月17日在美国物理学会的一次虚拟会议上展示了他们的发现,描述这些发现及其意义的论文现在正在进行科学审查。

在它生命的最后,一颗比太阳重很多倍的恒星,在它的核心燃料耗尽,在它自身的重量下坍塌,并爆发成一颗超新星。这些爆炸的恒星中最重的会留下黑洞。较轻的恒星诞生了中子星,它的质量比太阳还要大,形成一个球体,其宽度约为纽约市曼哈顿岛的长度。

科学家认为中子星是分层的。在表面,氢原子或氦原子的薄层大气层停留在由较重原子组成的固体外壳上。在地壳中,压力的迅速增加使电子从原子核中剥离出来。在更深处,在外核,原子核分裂成中子和质子。巨大的压力将质子和电子挤压在一起,形成了一个主要由中子组成的海洋,最终以两倍于原子核的密度挤在一起。

但物质在内核中是以什么形式存在的呢?自从1934年沃尔特-巴德和弗里茨-茨威基提出中子星的存在以来,物理学家一直在问这个问题。为了回答这个问题,天文学家需要精确测量这些物体的大小和质量。这使他们能够计算出恒星内核中压力和密度之间的关系,并评估物质的最终可挤压性。

在典型中子星的传统模型中,一颗质量约为太阳质量的1.4倍的中子星,物理学家预计内核中大部分充满了中子。较低的密度确保了中子保持足够远的距离,从而保持完整,这种内部刚度导致了更大的恒星。

在像J0740这样质量更大的中子星中,内核的密度要高得多,将中子压得更近。目前还不清楚中子是否能在这种条件下保持完整,或者它们反而分解成夸克。理论家们怀疑它们会在压力下碎裂,但关于细节的许多问题仍然存在。为了得到答案,科学家们需要对一颗巨大的中子星进行精确的尺寸测量。一颗较小的恒星将有利于夸克在最内层“自由漫游”的情景,因为较细小的粒子可以更紧密地聚集在一起。更大的恒星将表明存在更复杂形式的物质。

为了获得所需的精确测量结果,NICER观测被称为脉冲星的快速旋转的中子星,这些脉冲星是由Jocelyn Bell Burnell在1967年发现的。在这些天体的表面形成了明亮的、发出X射线的热点。当脉冲星旋转时,它们的热点就像灯塔的光束一样在视野中旋转,产生有规律的X射线亮度变化。

但脉冲星的密度也很大,它们的引力会使附近的时空发生扭曲,就像保龄球放在蹦床上一样。这种扭曲足够强烈,它导致来自恒星远方的光--我们原本无法探测到的光--被重新定向到我们这里,这使得脉冲星看起来比实际情况更大。同样的质量在较小的包裹中会产生更大的失真。这种效应可能非常强烈,以至于当热点围绕脉冲星旋转时,它可能会阻止它们完全消失。

科学家们可以利用这些效应,因为NICER将每条X射线的到达时间测量到优于100纳秒。通过跟踪脉冲星的X射线亮度如何随着它的旋转而变化,科学家可以重建它对时空的扭曲程度。由于他们知道它的质量,他们可以将这种扭曲转化为尺寸。

两个团队使用不同的方法来模拟J0740的大小。由阿姆斯特丹大学的博士后研究员Thomas Riley和天体物理学教授Anna Watts和天体物理学教授领导的一个小组估计,这颗脉冲星的直径约为15.4英里(24.8公里)。马里兰大学学院帕克分校天文学教授Cole Miller领导的团队发现J0740的宽度约为17英里(27.4公里)。两项结果在其不确定度范围内有很大的重叠,分别为14.2至17英里(22.8至27.4公里)和15.2至20.2英里(24.4至32.6公里)。

除了NICER数据外,两组数据还包括来自欧洲航天局XMM-Newton卫星的X射线观测数据,这些数据有助于计算背景噪声。J0740的质量此前是由北美纳赫兹引力波天文台和加拿大氢强度测绘实验合作的科学家通过无线电测量确定的。

2019年,Riley和Miller的团队使用NICER数据来估计脉冲星J0030+0451(或J0030)的大小和质量。他们确定该天体的质量约为太阳质量的1.4倍,直径为16英里(26公里)。

"我们对J0740的新测量结果显示,即使它的质量比J0030大了近50%,但它的大小基本上是一样的," Watts说。"这对中子星核心的一些更可挤压的模型提出了挑战,包括内部只是夸克海的版本。J0740的大小和质量也给一些只包含中子和质子的不那么可挤压的模型带来了问题。"

最近的理论模型提出了一些替代方案,比如内部核心包含中子、质子和夸克组成的外来物质或夸克的新组合的混合体。但所有的可能性都需要结合NICER的这些新信息进行重新评估。

"J0740的大小让我们理论家感到困惑和兴奋,"华盛顿大学物理学教授Sanjay Reddy说,他研究极端条件下的物质,但没有参与这一发现。"NICER的测量结果,结合其他多物质观测,似乎支持了这样的观点,即压力在大规模中子星核心中迅速增加。虽然这不利于在核心中向更多的可挤压形式的物质过渡,但其意义还没有完全理解。"

Miller的团队还确定了科学家对脉冲星大小的估计能力,利用NICER的J0740和J0030测量结果来补充来自其他重脉冲星和引力波事件的现有信息,引力波事件是由中子星和黑洞等巨大物体碰撞产生的时空涟漪。

"我们现在知道了一颗标准中子星的半径,其质量是太阳的1.4倍,不确定性在5%以内,"Miller说。"这就像知道华盛顿特区的大小,大约在四分之一英里之内。NICER不仅改写了关于中子星的教科书,还彻底改变了我们对非常遥远和非常小的物体测量的信心。"

除了测试物质的极限,中子星还提供了探索太空广阔领域的新手段。2018年,一个由科学家和美国宇航局工程师组成的团队利用NICER首次展示了利用脉冲星在太空中进行完全自主导航,这可能会彻底改变我们驾驶机器人航天器前往太阳系远方和更远的地方的能力。

NASA宇航员Christina Koch说:“NICER是一位伟大的伙伴。”她在2019年3月至2020年2月担任空间站的飞行工程师,创造了女性单次太空飞行时间最长的记录。"这项任务体现了空间站研究的所有最佳方面。它是突破性的基础科学、空间科学和技术创新,所有这些都是通过轨道实验室的独特环境和平台实现的。"

NICER是NASA "探索者 "计划中的一个天体物理学机遇任务,它利用太阳物理学和天体物理学科学领域内创新、精简和高效的管理方法,为来自太空的世界级科学调查提供频繁的飞行机会。NASA的空间技术任务局支持该任务的SEXTANT部分,展示基于脉冲星的航天器导航。

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