一勺足以压垮地球,承受着一整个恒星重量的中子星,它究竟多大

摘要:北京时间20200925关于【一勺足以压垮地球,承受着一整个恒星重量的中子星,它究竟多大】的具体情况和说明,让www.gzmyyl.cn新闻频道的以图文形式为您慢慢道来。

文章介绍了一个国际研究团队利用几个不同望远镜和观测站的数据,马克斯·普朗克引力物理研究所的成员阿尔伯特·爱因斯坦研究所(AEI)将中子星的大小估计缩小了两倍,将中子星的半径缩小到更精确的测量范围。

中子星究竟有多大?就恒星物体而言,这些密度极大的,引力坍缩所形成的恒星体积却很小。即使每一颗的质量都等同于一整颗庞大的恒星,一座中至大规模的城市直径也足以与他们的尺寸相提并论。

多年以来,天文学家将中子星的大小锁定在19至27千米(12至17英里)的范围内。考虑到中子星的距离和特性,这个估计已经相当精确,但天文学家依然不懈地进行着深入研究,意在将其缩小到更精确的测量范围。

一个国际研究组织取得了新的进展。通过分析从各地多台天文望远镜与天文台取得的数据,马克斯·普朗克引力物理研究所(The Max Planck Institute for Gravitational Physics,又称阿尔伯特·爱因斯坦研究所 (AEI) )的成员又将中子星的确切尺寸范围缩小了两倍。

“我们发现,一颗典型的中子星约比太阳重1.4倍,而它的半径约为11千米。” 汉诺威总部研究团队的负责人巴德里·克里希南(Badri Krishnan)如此描述,“我们的研究结果将半径锁定在10.4至11.9千米之间。”

图解:双中子星合并的概念插图。图中窄光束为伽马射线爆,代表时空的网格上产生的涟漪为各向同性的引力波,这也是双中子星合并的显著特征。正在合并的双星中喷出的旋动物质会发出一些能量较低的光线,这些光线能够被观测到。

这个团队的研究对象实际上赫赫有名:GW17087,由一对相互紧密环绕的双中子星合并所产生的一个持续约100秒的引力波。它于2017年8月17日被激光干涉引力波天文台(LIGO)与室女座干涉仪(Virgo Interferometer)探测到。

图解:双中子星合并碰撞瞬间的概念图。

图解:GW170817于汉福德,利文斯顿和室女座天文台分别测得的时频图。信号在两个LIGO探测器中清晰可见,为一个正啁啾波。由于室女座干涉仪的灵敏度较低,且引力波来源方位恰巧是其盲区,因此在室女座处不可见。图片来源:LIGO科学合作组织/室女座合作组织

此外,费米卫星,哈勃太空望远镜以及世界各地的多种望远镜和天文台均对此天文事件进行了无数次研究,这些观察结果为马克斯·普朗克团队提供了大量有效数据。

“双中子星合并简直是挖掘关键数据的宝矿!” AEI汉诺威总部的研究员柯林·卡帕诺(Collin Capano)感叹道。他是发表于《自然天文学》刊中的相关论文的主要作者。

图解:NASA哈勃空间望远镜镜头下,此双中子星合并后的余晖。其亮度随时间推移逐渐黯淡。图片来源:NASA和ESA:A. Levan(美国沃里克大学),N. Tanvir(美国莱斯特大学)以及A. Fruchter和O. Fox(美国科学技术学会)

“在可观察到的宇宙中,中子星含有最为致密的物质。……通过测量这些星体的性质,我们得以了解亚原子层面上物质所遵从的基础物理现象。”

当一颗巨大的恒星演化到末期,燃料耗尽并坍缩时,就会形成中子星。恒星的最中心区域——核心,将会坍缩,把每个质子和一个电子转化为一个中子。

图解:超新星爆炸。图源:NATHAN SMITH (加州大学伯克利分校), NASA

如果正在坍缩的恒星的核心大约在一到三个太阳质量之间,那么这些新形成的中子就可以阻止继续坍缩,最终成为一颗中子星。而质量更大的恒星将持续坍缩,直至成为等同恒星质量的黑洞。

但是坍缩成中子星会产生已知密度最大的物体,就像前文所提到的,相当于把一个太阳质量的物体压缩到仅有城市大小。您可能已经听过这个著名的比较了,但它的夸张程度值得不厌其烦地重复:一块方糖大小的中子星物质在地球上的重量约为1万亿公斤(或10亿吨),与整座穆朗玛峰的重量大致相同。

您也许会产生疑问:既然不同恒星的大小可以相差甚远,中子星的大小不也可以不同吗?

首先,需要澄清的是,此次研究估算出的半径是使用1.4倍太阳质量的中子星作为前提进行计算的。

“这是一个在文献中广泛使用的基准质量,”卡帕诺在一封电子邮件中告诉《今日宇宙》(Universe Today),“因为观测到的双中子星中,几乎所有中子星的质量都接近该值。”

“之所以能够使用GW170817引力波来估算1.4个太阳质量的中子星的半径,是因为我们认为几乎所有中子星都由相同的物质组成。”

他解释说,对于其他“常规”恒星,其质量与半径之间的关系取决于许多变量的影响,例如恒星核心中进行核聚变的元素。“而中子星是如此紧凑、密集,以至于它们不会含有真正分开的原子——整个恒星基本上是一个巨大的单原子核,几乎完全由紧密堆积在一起的中子组成。”

“正因如此,我们不能认为中子星是由不同的元素构成的。在这种级别的密度下,“元素”的概念失去意义,因为元素是由其原子含有的质子数定义的。”

图解:中子星的组成。图源: Carl Knox/OzGrav

卡帕诺说,由于所有中子都是相同的物质(夸克,由胶子固定在一起),天文学家认为质量和半径之间能够建立通用的对应关系,使其适用于所有中子星。因此,当估计1.4个太阳质量的中子星的大小时,我们实际上所做的是在形成一些或许能够描述亚原子世界的物理定律。”

研究团队在论文中也指出,他们的研究结果和过程也可以用于研究其他天体,例如脉冲星,磁星,甚至它们发出引力波的方式,提供细节帮助天文学家理解引力波产生的原因。

斯蒂芬妮·布朗(Stephanie Brown),论文的合著者,同时也是AEI汉诺威总部的一名博士研究生,她如此评价道:“这些结果令人兴奋,不仅仅因为我们已经极大程度上将中子星半径的测量精确化,更因为透过它,我们对双中子星合并后的最终宿命有了更明确的认识。“

作者: NANCY ATKINSON

FY: 肉桂兔包

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