平均场论研究中子星构造论文

中子星的质量范围不大，在倍太阳质量以上（白矮星的最大质量极限，称为钱德拉塞卡极限）、倍太阳质量以下（中子星的最大质量极限，称为奥本海默极限）。西弗吉尼亚大学的研究人员帮助发现了迄今为止最大质量中子星，这是通过波卡洪塔斯县绿岸望远镜发现的一项突破。这颗名为J0740+6620的中子星是一颗脉冲星，质量是太阳的倍，形成一个直径仅为20-30公里(约15英里)的球体。这种测量接近单个物体在不将自身压成黑洞的情况下变得这么巨大和高密度的极限。这颗中子星是在距地球约4600光年的地方被探测到。这些发现来自美国国家科学基金会资助的NANOGrav物理前沿中心，其研究发现发表在《自然天文学》期刊上。这篇论文的作者包括邓肯·洛里默，天文学教授和埃伯利艺术与科学学院负责研究的副院长埃伯利物理学和天文学杰出教授莫拉·麦克劳林；物理和天文学系统管理员内特·加弗-丹尼尔斯；博士后和前学生哈莎·布鲁默，保罗·布鲁克，皮特·詹蒂尔，梅根·琼斯和迈克尔·林。这一发现是许多偶然结果之一，这些结果是在寻找引力波的常规观测中出现。绿岸望远镜中，研究人员正试图探测脉冲星的引力波，为了做到这一点，需要观察大量毫秒脉冲星，它们也是快速旋转的中子星。这一发现不是一篇引力波探测论文，而是观察产生的许多重要结果之一。脉冲星质量是通过一种被称为“夏皮罗延迟”的现象来测量。本质上，根据爱因斯坦的广义相对论，来自白矮星伴星的引力扭曲了它周围的空间。这使得来自脉冲星的脉冲在穿越白矮星周围扭曲的时空时，会走得更远一点。这个延迟告诉将能告诉科学家们白矮星的质量，这反过来提供了中子星的质量测量。中子星是大质量恒星变成超新星的压缩残骸，它们是当巨星在超新星中死亡，核心塌陷时产生的，质子和电子相互融化形成中子。虽然天文学家和物理学家几十年来一直在研究这些物体，但许多关于它们内部性质的谜团仍然存在：粉碎的中子会变成“超流体”并自由流动吗？它们会分解成亚原子夸克或其他奇异粒子的汤吗？当引力战胜物质并形成黑洞时，什么是引爆点？这些中子星非常奇特，一个真正重要的问题是，能制造出这些中子星最大有多大？对非常奇特的材料有影响，而我们就是不能在地球上的实验室里创造这些物质。脉冲星之所以得名，是因为它们从磁极发射出双束无线电波。这些光束以灯塔般的方式扫过空间，有些每秒旋转数百次。由于脉冲星以如此惊人的速度和规律性自转，天文学家可以使用它们作为宇宙中原子钟的等价物。这种精确的计时有助于天文学家研究时空的本质，测量质量，并提高对广义相对论的理解。

世界各地的天文台观察到发生在一对稠密的物体之间的高能碰撞，每一个物体都比太阳略大，但也仅仅一座城市那么大。一个相似的碰撞离我们很近可能导致太阳系产生一部分最重元素，并且科学家认为他们能知道发生时间。

（图为钚元素）

现在科学家认为这些二元中子星合并是宇宙中比铁重元素的重要来源。这些元素很稀有，但也是一类对人类极重要的元素。运用测量古代陨石中的残存物质，一组研究人员反向推导去定位其中一部分二元中子星合并的产生。

首先，研究人员出发去探讨他们所感兴趣是由中子星合并产生还是由超新星产生的主要为锔和钚的元素。超新星是恒星处于相对频繁的爆炸过程而出现的，然而根据发表在《自然》杂志上的论文看来，中子星只会在我们的银河系中经历很多次甚至百万年才能合并。这意味着，如果你回首过去，这些元素的丰度会到达尖峰如果他们是由中子星产生的，或者由超新星产生并保持了相对恒定。

锔和钚是放射性元素，并会衰变为更稳定元素。当最早的陨石形成时，他们捕获了部分衰变为更稳定的元素。这些陨石中衰变产物的相对丰度让科学家回溯并确定当初始元素形成时陨石的大概年龄。

当巴托斯和哥伦比亚大学教授萨尔博.克斯马尔卡对于之前从这些陨石上收集的数据进行计算，他们发现这些元素到达尖峰丰度的时间大概是太阳系形成的8000万年前，即我们现在所处的地方还只是一团气体和尘埃。这是推断出的单一事件，可能是中子星一千光年前合并产生在太阳系的最大份额的锔和预计三分之一的钚。这只占太阳系快过程元素总数的一小部分，但是“在银河的 历史 中有着许多中子星合并。”巴托斯说道。

（图为两颗中子星在太阳系附近碰撞）

这是一项很酷的研究。“‘这些元素’只是宇宙百分之一的一小部分，但是他们在很多方面都对我们很有用，”哥伦比亚大学教授及天文学家大卫.赫尔芬德这样告诉吉兹莫多，“仅仅知道他们来自哪里就能帮助我们在宇宙中体会多一点家的感觉。”

需要注意的是这些结果是基于间接测量建模的，而且我们对于中子星碰撞的知识和快过程仅来自于一次实验观测。虽然不太看可能，但也许另一种甚至更混乱的高能事件产生了这些元素。巴托斯对吉兹莫多说下一步是测量更多有着未知衰变的元素，创建更好的模拟，并且不可少的，去观察更多中子星碰撞。幸运的是，激光干涉引力波观测台和室女座引力波天文台都已升级并且开始删除来自碰撞黑洞的或者也许是更多的中子星的信号。

巴托斯很好奇这些结果是如何把这么多不同的领域结合起来的，从地球科学到天体物理再到化学。“在这项工作中，通过连接各领域，我们希望开始更大的努力来共同使用这些信息。”

相关知识

中子星（英语：neutron star），是恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽，当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落，有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸，或者根据恒星质量的不同，恒星的内部区域被压缩成白矮星、中子星或黑洞。

作者: Ryan F. Mandelbaum

FY: 濯古桓桓

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天文爱好者们可能还记得2017年10月，全球数十家天文机构联合发布探测到双中子星并合的重磅消息。这场 “宇宙烟花”不仅释放出引力波，更甩出重达300个地球的黄金，引发天上地下超过70台望远镜围观它的光芒。 这个故事还有下文。在壮丽的爆发之后207天，全球5大洲的32台望远镜再次组队观测“宇宙烟花”的余辉，其中3台来自中国，分别属于中国科学院上海天文台、云南天文台和新疆天文台。经过分析，科学家们确定双中子星并合后一股物质以光速级喷射而出，形成了相对论性喷流。相关论文近日发表在《科学》杂志上。 首先，让我们复盘一下那一场“宇宙烟花”。 相对论性喷流艺术想象图 远在亿光年的一个星系中，一对中子星围绕共同的中心旋转。 当一个恒星走向寿命尽头，经由引力坍缩发生超新星爆炸，根据质量的不同，内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。中子星几乎完全由中子构成，是目前已知的最小、致密的恒星。 中子星的半径普遍在10公里左右，质量却可超过两个太阳。一茶匙中子星物质就重达10亿吨。 双星共舞的过程中会不断释放引力波，导致系统的能量降低，轨道缩小，并最终撞在一起，发生并合。这就是美国激光干涉引力波天文台LIGO在2017年8月17日接受到的一段持续了100秒的信号。 不过，双中子星并合后究竟会产生什么，科学家目前所知的仍只有冰山一角。 全球共有70个地面及空间望远镜闻风而动，组成了一道蔚然壮观的风景线。中国南极巡天望远镜和中国第一颗空间X射线天文卫星——“慧眼”HXMT望远镜也参与集中。 引力波信号首秀后2秒，一个持续时间很短的伽玛暴紧接着登场，这对应着中子星并合过程中的千新星现象，抛射出大量金、铂等重元素。这些重元素中的放射性元素发生衰变、裂变，爆发的亮度是典型新星的一千倍左右。 11小时后 从紫外线到近红外波段的电磁波信号锁定目标位于NGC4993星系； 9天后，X射线信号出现；16天后，无线电信号被成功捕获。此时，“宇宙烟花”已经进行到余辉的阶段。 这些电磁波信号持续增强，直到150天后才开始减弱。余辉的持久，让科学家们好奇这些光芒来自于怎样的物质形态。 学术界有两种主流猜测，一是各向同性火球，二是相对论性喷流，分别对应着“作茧自缚”和高速冲破两种形式。 喷流冲破中子星并合甩出的物质 在“作茧自缚”的情境中，喷流被周围的喷射产物所困，形成一个高热高压的空间而逐渐膨胀。此时，科学家们会在较宽的角度范围内探测到能量，运动的速度也较慢。 2018年3月12日至13日，全球5大洲的32台望远镜对余辉进行了观测，中心频段集中在吉赫兹左右。 全球5大洲的32台望远镜对余辉进行了观测 由意大利国家天文研究所主导的研究结果显示，喷流的位移较远，角度小于毫角秒（一毫角秒为360万分之一度），由此可以排除火球，确定为强度非常高的等离子体喷流。 这种喷流的长度可达数千乃至数十万光年，是已知的速度最快的天体之一，此前一项观测显示相对论性喷流的速度达到了光速的23%。 该研究团队通过计算分析，认为大约有10%的中子星并合会产生相对论性喷流。