最新发现揭示中子星内部的秘密
最新发现揭示中子星内部的秘密
天文学家观测了几十颗中子星，其中三颗与大多数关于奇特中子星结构的观点不同。
艺术家绘制的中子星图
图源：ESA
天文学家们使用XMM-牛顿和钱德拉太空望远镜重新研究了三颗特别冷的年轻中子星。要解释它们的存在就必须排除掉75%的中子星模型——这让天文学家们更接近于找到正确的那个模型。
中子星是宇宙中最奇特的物体之一，是在大质量恒星死亡的狂暴中形成的。恒星的核心在自身的重力下塌缩，电子和质子猛烈撞击被迫合并成中子。由此产生的中子星物质密度很大，一勺的重量比地球上所有人的重量加起来还要重。
然而，天文学家仍然不知道中子星的确切结构，它的外壳可能包括电子和质子，核心可能包括夸克。找出中子星内部真实情况的关键是确定描述所有中子星内部温度和压力的正确状态方程。这有数百种可能性。
现在，天文学家终于能够缩小这个范围。由Alessio Marino（西班牙空间科学研究所）领导的研究小组研究了70颗孤立的中子星。他们利用 XMM-牛顿和钱德拉对恒星X射线的测量数据，估计了中子星的温度。至关重要的是，其中一些中子星仍然被超新星遗迹包围，这意味着研究小组可以估计它们的年龄。所有这些中子星年龄估计都在800到8000岁之间——天文婴儿。该团队的研究结果发表在《自然天文学》期刊上。
这张超新星遗迹3C58的图像的中心部位（如图白色位置）有一颗白热中子星。然而，与银河系其它地方的同类相比，这颗中子星比预期的要冷。在中心周围的是一个充满高速带电粒子和射流的环面。图像是由X射线的能量着色的(低能X射线是红色，中等能量的是绿色，高能的是蓝色)
图源：X-ray: NASA / CXC / ICE-CSIC / A. Marino et al.; Optical: SDSS; Image Processing: NASA / CXC / SAO / J. Major
Marino 说:“这些中子星中有三颗比同龄的其它中子星温度低的多。这是一个重要的线索，表明这些天体内部可能发生了一些奇怪的事情，这正是我们要弄清楚的。”这三颗中子星的质量特别大，这意味着它们包含更多的粒子，而更多的粒子意味着更有可能发生不寻常的过程——包括可能导致快速冷却的过程。
该团队使用机器学习来筛选大量可能的状态方程，以确定哪些方程可以实现如此快速的冷却。这个过程可以筛选掉四分之三的模型。“如果我们能够消除中子星内部是什么的一些可能性，那么我们要问的下一个问题是：剩下的可能性是什么？”空间科学研究所的团队成员Konstantinos说。
一种可能性是，中子星核心的放射性衰变会产生有助于带走热量的中微子。另一种可能是，这些恒星的质量太大了，以至于中心的一些中子已经分解成组成它们的夸克，要么是单独的，要么是结合在一起形成介子。
“我们不能肯定地说这些中子星的内部是什么，但这些最新的数据告诉我们，可能需要一些外来的东西，”空间科学研究所的团队成员Nanda Rea说。
科学家们认为中子星是分层的，上面的图表显示了这些层的组成的一种简化视图。它们内核中的物质状态仍然是未知的。
图源：NASA’s Goddard Space Flight Center / Conceptual Image Lab
“这三颗中子星的低龄和低温已经被发现了20年，但这项研究是第一次系统地探索一大群中子星的理论，并总结出哪些理论被排除在外，”加拿大阿尔伯塔大学的Craig Heinke说，他没有参与这项研究。
总有一天，我们会有更好的工具来帮助探索这些谜团。“欧洲航天局的新雅典娜任务将比 XMM-牛顿任务灵敏得多，但要到2037年左右才会发射，”Heinke 说。
另一方面，钱德拉更难被取代。“钱德拉独特的敏锐视角意味着，如果没有它，这些发现中的一些结果是不可能得到的，”Heinke 补充道。由于最近大幅削减资金可能导致该任务过早结束，他很担心。“我希望能找到资金，让钱德拉在接下来的十年里继续在中子星领域作出令人激动的发现。”