由馬克斯·普朗克引力物理研究所(阿爾伯特·愛因斯坦研究所; AEI)成員領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究小組獲得了關(guān)于中子星有多大的新測(cè)量結(jié)果。為此，他們將對(duì)中子星物質(zhì)未知行為的一般性第一原理描述與對(duì)二元中子星合并GW170817的多信使觀測(cè)相結(jié)合。他們的結(jié)果發(fā)表在《自然天文學(xué)》上如今，它比以前的限制嚴(yán)格了兩倍，表明典型的中子星的半徑接近11公里。他們還發(fā)現(xiàn)，除非黑洞很小和/或快速旋轉(zhuǎn)，否則與黑洞合并的中子星在大多數(shù)情況下很可能被整個(gè)吞噬。這意味著雖然可以將這種合并作為引力波源觀察到，但它們?cè)陔姶蓬l譜中是不可見的。

“二進(jìn)制中子星合并是信息的金礦!”AEI漢諾威研究所研究員，《自然天文學(xué)》研究的第一作者Collin Capano說。“中子星包含可觀察到的宇宙中最稠密的物質(zhì)。實(shí)際上，它們是如此密集和緊湊，以至于您可以將整個(gè)恒星視為單個(gè)原子核，放大到一個(gè)城市的大小。通過測(cè)量這些物體，的特性，我們將了解在亞原子級(jí)控制物質(zhì)的基本物理學(xué)。”

AEI漢諾威研究小組的負(fù)責(zé)人Badri Krishnan說：“我們發(fā)現(xiàn)，典型的中子星的半徑大約是我們太陽的1.4倍，半徑為11公里。”“我們的結(jié)果將半徑限制在了10.4至11.9公里之間。這比以前的結(jié)果嚴(yán)格了兩倍。”

雙星中子星合并成為天體寶庫

中子星是超新星爆炸的致密，極致密的殘余物。它們的大小相當(dāng)于一個(gè)城市，其質(zhì)量是太陽的兩倍。尚不清楚中子密度高的物質(zhì)的行為方式，而且不可能在地球上的任何實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造這種條件。物理學(xué)家提出了各種模型(狀態(tài)方程)，但是尚不清楚這些模型中的哪一個(gè)(如果有的話)正確地描述了自然界中的中子星物質(zhì)。

當(dāng)要了解更多關(guān)于極端條件下的物質(zhì)和潛在核物理的知識(shí)時(shí)，雙星中子星的合并(例如在引力波和整個(gè)電磁光譜中于2017年8月觀測(cè)到的GW170817)是最令人興奮的天體物理學(xué)事件。由此，科學(xué)家們可以反過來確定中子星的物理特性，例如它們的半徑和質(zhì)量。

研究小組使用了基于第一性原理的模型，該模型描述了亞原子粒子如何在中子星內(nèi)部發(fā)現(xiàn)的高密度下相互作用。值得注意的是，正如該團(tuán)隊(duì)所表明的那樣，長(zhǎng)度尺度小于一萬億分之一毫米的理論計(jì)算可以與距離一億光年遠(yuǎn)的天體物體的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。

卡帕諾說：“這有點(diǎn)令人困惑。”“ GW170817是由1.2億年前的兩個(gè)城市大小的物體碰撞而引起的，當(dāng)時(shí)恐龍?jiān)诘厍蛏闲凶?。這發(fā)生在十億億公里之外的星系中。由此，我們獲得了對(duì)亞原子物理學(xué)的深刻見解。”

中子星有多大?

研究人員使用的第一原理描述預(yù)測(cè)了直接來自核物理的中子星狀態(tài)方程的全族。作者從這個(gè)家族中選擇了最有可能解釋不同天體物理觀測(cè)結(jié)果的成員。他們選了模特

與公共LIGO和處女座數(shù)據(jù)對(duì)GW170817的引力波觀測(cè)結(jié)果一致，

合并產(chǎn)生了一個(gè)短壽命的超質(zhì)量中子星，并且

這與從GW170817的電磁對(duì)應(yīng)觀測(cè)得出的對(duì)最大中子星質(zhì)量的已知限制相吻合。

這不僅使研究人員能夠獲得有關(guān)稠密物質(zhì)物理學(xué)的可靠信息，而且還可以獲得迄今為止對(duì)中子星大小最嚴(yán)格的限制。