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简介：中子星是恒星演化到末期 ， 经重力崩溃后形成的除黑洞以外密度最大的物体 。 可以通过在太空中观测中子星 ， 观察X射线的发射来推断其半径 ， 从而推断出其内部物质 。
一颗恒星在超新星内部死亡 ， 完全就是一次灾难性的事件 。 它留下一个密度大得难以想象的物体 ， 叫做中子星 。 但是中子星里面到底是什么样的呢？
图注：艺术创作 。 在异星上遥望中子星 。 图源：cosmosmagazine
我们能接触到的一切都是由原子构成的 。 被称为质子和中子的亚原子粒子构成了原子核 ， 电子围绕着它们运行 。 但在这个原子能级上 ， 即使是我们世界上密度最大的物质 ， 比如黄金、铅和铀 ， 其结构中也主要是由空旷的空间所占据 。
与整个原子的大小相比 ， 它们的原子核非常非常小 ， 测量到电子的轨道 。
现在想象一下 ， 使劲儿挤压一块黄金、铀或铅 ， 以至于原子核全都靠近接触到一起了 ， 然后你再来估算剩余的空间 。 你得到的东西密度惊人 ， 类似于一个巨大的原子核 。 中子星就是这样的 。 能够做到这种挤压程度的唯一力量只有重力 。
中子星形成于恒星生命末期 ， 此时的恒星不再有足够的燃料来防止自己崩塌 。 一般来说 ， 核心持续收缩 ， 直到原子核剧烈地融合并相互接触 。 这时 ， 产生一个反弹 ， 整个核心反冲 ， 并推开外层 ， 这样就产生了一个辉煌耀眼的超新星 。 剩下的 ， 只有一个快速旋转的煤渣核心—这是除黑洞以外 ， 你能得到的密度最大的东西 。 它的密度如此之高 ， 一茶匙这种物质 ， 在地球上的重量就会有约10亿吨 。
图注：脉冲星的示意图 。 中间的球体代表中子星 ， 曲线表示磁场线 ， 凸出的圆锥体代表发射区 。 图源：Wikipedia
物质在如此高的密度下是如何表现的呢？每个原子的原子核是分开的吗？原子会变成一个质子、中子和电子的混合物 ， 相互纠缠、无法区分吗？会更进一步吗？质子和电子会合并在一起 ， 我们最终得到一锅中子吗？它们会变成一大份夸克和胶子组成的汤吗？或者还有别的什么？
图注：正常状态下的原子结构可以做成模型 。 高密度状态下原子结构的状况不为人知 。 图源：GettyImages
基本上 ， 核物理界并不知道在这种密度下会发生什么事 。 这个问题可以归结为一个叫做“f”态的方程 ， 这是一个描述物质在一个基本层面上的性质的术语 ， 它与密度和压力有关 。
如果恒星有一个硬核--一个固定的状态方程式--你就会有一个更大的恒星 ， 半径更大 。 如果你有一个非固定的状态方程式 ， 中子放弃它们的应有状态 ， 形成一份夸克汤 ， 你就会有一个柔软的、粘糊糊的核心和更小的半径 。 所以 ， 如果我们能测量出恒星的半径 ， 我们就会知道它的内部构成是怎样的 。 但我们不能直接测量 。 人们认为这些恒星的半径只在10-15公里之间--相当于一座城市的大小--远远小于哈勃望远镜能够观测并成像的范围 。 所以测量必须以间接的方式进行 。
我们认为 ， 最好的方法是通过观察X射线的辐射来推断半径；要做到这一点 ， 我们必须从太空观察中子星 。 当中子星像宇宙灯塔一样 ， 把发光的磁极转向我们时 ， 它们会迅速闪光 ， 这就是脉冲星
图注：开普勒超新星残骸SN 1604的多波长X射线、红外线和光学合成图像 。 图源：美国宇航局
通过精确的测量 ， 我们将能够了解 ， 中子星是如何通过这些脉冲的形状来扭曲时空的 。 那么涨跌的幅度有多大？有残留的光芒吗？这些特征携带了关于恒星的更多信息 ， 并使我们能够确定几颗中子星的质量和半径 ， 从而推断出其内部的情况 。
作者: Tim Trott
FY: 大恐龙龙
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