天体物理学家发现一种探测中子星内部结构的新方法

英国巴斯大学（University of Bath）的天体物理学家发现一种探测中子星内部结构的新方法，从而为核物理学家（nuclear physicist）提供新颖的工具来研究原子级的物质结构。

中子星是已经死亡的恒星在重力作用下压缩到只有一个小城市的大小。 它们包含宇宙中最极端的物质，意味着它们是存在最稠密的天体（作为比较，如果地球压缩到中子星的密度，那么它的直径只有几百米，所有人类都可以放入一茶匙上）。 这使到中子星成为核物理学家的独特自然实验室，他们对结合亚原子粒子力的理解仅限于与地球相连的原子核上工作。 研究这种力在更极端条件下的行为方式，可以加深他们对核物理的认识。

研究团队通过共振现象发现：当以自然频率对物体施加力时，就会产生共振，从而产生大的，通常是灾难性的振动运动。 当歌剧歌手通过与玻璃振动模式相匹配的频率大声唱歌，来震碎玻璃时，就是共振的例子。

当一对中子星达到共振状态时，它们的固体外壳（相信比钢强一百亿倍）会碎裂。 这导致释放出可以由卫星侦测到的明亮伽马射线爆发（称为：共振碎光 Resonant Shattering Flare）。 呈螺旋状的恒星还释放出重力波，这些重力波可以由地球上的仪器检测到。 研究人员发现，通过测量共振碎光和重力波讯号，他们可以计算出中子星的对称能量。

对称能量是核物质的特性之一。 它控制组成原子核的亚原子粒子（质子和中子）的比例，以及在中子星中发现的极端密度时该比例如何变化。 因此，对于对称能量的读数将有助证明中子星的组成，进而扩展为所有质子和中子耦合过程以及决定所有物质结构的力。研究人员强调，通过结合使用伽马射线和重力波研究中子星共振而获得的测量结果，将是对核物理学家在实验室进行实验的补充，而不是替代。巴斯大学天体物理学家曾大卫（David Tsang 译音）博士指出，通过研究中子星，以及这些大质量物体的最终运动，我们能够了解微细核里组成极致密物质在规模上的巨大差异。

负责这项研究的天体物理学博士生邓肯·尼尔（Duncan Neill）补充说：「我喜欢这项工作在于核物理学家正在研究的同一事物。 他们着眼于微小的粒子，而我们的天体物理学家则着眼于数百万光年之外的天体和事件。 我们正以完全不同的方式看待同一件事。 」

德州农工大学商学院（Texas A&M University-Commerce）天体物理学家威尔·牛顿（Will Newton）博士说：「虽然知道将夸克（quark）束缚到中子和质子中的力，但是当大量中子和质子聚集在一起时，它的实际作用还不是很清楚。 实验性核物理数据有助于寻求更好的理解，但是我们在地球上探测的所有核物理都具有相似数量的中子和质子，它们以大致相同的密度结合在一起。 在中子星中，自然为我们提供了一个探索核物理学完全不同的环境：主要由中子组成的物质，其密度范围很广，最高可达原子核密度的十倍。 今次的研究展示如何可以从数亿光年距离测量出这种物质的某种对称能量特性。 可以解释清楚核的基本工作原理。 」

【图、文：节译自英国巴斯大学2021年4月1日新闻公布】

研究全文刊登在2021年3月26日出版的英国《皇家天文学会月报》

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