NASA将在今年夏天解开巨大的物理谜团

一个高能光子从最近的中子星到地球需要512年的时间，携带的信息是解决天体物理学中最棘手问题之一。光子在充满能量的急流中射入太空。x射线能量的热光束从超新星微小的、超量的、残留的超新星表面爆发。这些光束在传输过程中分散了好几个世纪。但是，每隔一段时间，就会有一个x射线光穿过太空(512光年)，是地球和太阳之间距离的3200万倍，这是对国际空间站(ISS) x射线望远镜的一个外号。然后在地球上，一个文本文件进入一个新的数据点：光子能量和到达时间，以微秒的精度来测量。

两个中子星合并的概念图，图片：National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet

这个数据点，连同其他数个月来收集的其他数据，将会在2018年夏天回答一个基本的问题：地球最近的中星邻居J0437-4715到底有多宽？如果研究人员可以算出中子星的宽度，物理学家沙龙Morsink告诉一群美国物理协会(APS)的科学家们2018年4月会议时，这些信息可能对解决粒子物理奥秘之一：物质在被推到最极端的时候是如何表现的（怎样的）？在地球上，考虑到人类现有的技术，即使在极端的实验室里，物质密度也存在着一些严格的限制，甚至在科学家制造的密度最大的物质能够存活多久的问题上，也存在着更严格的限制。这意味着物理学家们还没能弄清楚粒子在极端密度下的表现，没有很多好的实验。

有很多不同的方法，人们想出试图说超高密度问题应该如何行为，但是他们都不同意,“Morsink,阿尔伯塔大学的物理学家和美国国家航空航天局工作小组的成员集中在中子星的宽度。他们并不完全同意的方式实际上是可以测试的，因为他们每个人都在预测中子星的大小。换句话说，对乌尔特伦斯物质之谜的解决办法被锁定在宇宙的一些密度最大的天体中——中子星。科学家们只要精确测量中子星的宽度(以及密度)，就能解开这个谜团。

深空的粒子物理学

美国宇航局科学家Zaven Arzoumanian在俄亥俄州哥伦布市的会议上告诉物理学家：中子星是大多数人从未听说过的最令人发指的天体。Arzoumanian是美国宇航局中子星内部合成探测器(更好的)项目的负责人之一，该项目为Morsink的工作奠定了技术基础。更漂亮的是安装在国际空间站上的大型旋转望远镜，它监测和精确地乘以从深空进入低地球轨道区域的x射线。一颗中子星是超新星爆炸后留下的核心，但它的范围并不比中型城市大得多。

中子星能以极高的光速旋转，将x射线能量的闪烁光束射入空间，其时间比原子钟的滴答声更精确。最重要的是，对于Morsink和她的同事们来说，中子星是宇宙中已知的最密集的天体，它们并没有坍缩成黑洞——但与黑洞不同的是，科学家们有可能弄清楚它们内部到底发生了什么。天文学家只是需要精确地知道中子星到底有多宽，而更好的是应该最终回答这个问题的仪器。

夸克汤

科学家们不知道物质在中子星的极端内核中是如何运动的，但他们知道这很奇怪。爱丁堡大学的粒子物理学家丹尼尔·沃茨在APS会议上告诉另一个观众：中子星的内部本质上是一个巨大的问号。科学家们对大量的中子恒星进行了一些很好的测量。例如J0437-4715的质量大约是太阳的1.44倍，尽管它或多或少是曼哈顿下城的大小。这意味着J0437-4715比原子的原子核密度大得多——这是科学家在地球上遇到的最致密的物体，在那里，绝大多数原子的物质聚集在其中心一个微小的微尘中。

瓦茨解释说，在这样的密度下，物质的行为是不清楚的。夸克，构成中子和质子的微小粒子，构成原子，不能自由地独立存在。但是当物质达到极端密度时，夸克可以保持与地球上类似的粒子的结合，或者形成更大、更复杂的粒子，或者完全混合成一种更普遍的粒子汤。科学家们所知道的是，物质在极端密度下的运动细节决定了中子星的实际大小。因此如果科学家能够精确测量中子星，他们就能缩小在极端条件下物质行为的可能性范围。回答这个问题，可以解开所有与中子星无关的粒子物理学之谜的答案，可以帮助回答单个中子如何排列在非常重的原子的原子核中。

更好的测量需要时间

Morsink说，大多数中子星的直径大约在12到16英里(20到28公里)之间，虽然它们的长度可能只有10英里(16千米)。这是一个非常狭窄的天文学术语，但不够精确，无法回答Morsink和她的同事们感兴趣的问题。为了更准确的回答，Morsink和她的同事们研究了在中子星上快速旋转的“热点”的x射线。虽然中子星是非常致密的球体，但它们的磁场使其表面的能量相当不均匀。

明亮的斑块在它们的表面形成和菌落，在旋转的过程中，随着恒星的旋转，它们会旋转很多次。这就是更好的地方。更棒的是安装在国际空间站上一个巨大的旋转望远镜，它可以让光线从那些具有难以置信的规律斑块中发出。这使得Morsink和她的同事们可以研究两件事，这两件事可以帮助他们找出中子星的半径：

1、旋转的速度：当中子星旋转时，它表面的亮点就像灯塔旋转的光束一样，从地球上向外眨眼。Morsink和她的同事们可以仔细研究更好的数据来确定每一时刻恒星眨眼的次数，以及明亮的光点在太空中移动的速度。而光点运动的速度是恒星旋转速度和半径函数。如果研究人员能够计算出旋转和速度，那么半径就比较容易确定。

2、光线弯曲：中子星密度如此之大，以致于能从恒星的光点中探测到光子，而光点则指向远离地球的地方。中子星的引力能使光线弯曲得如此之快，以致于它的光子会转向并撞上更好的感测器。光的曲率也是恒星半径和质量的函数。因此通过仔细研究一颗已知质量曲线的恒星，Morsink和她的同事们可以计算出恒星的半径。

研究人员即将公布他们的研究结果。(几位物理学家在她的APS谈话中表达了些许失望，她没有宣布具体的数字，并兴奋地说它即将到来。)Morsink告诉《生活科学》杂志，她并没有试图挑逗即将发布的消息。更好的是还没有收集足够的光子，让团队提供一个好的答案。这就像把一块蛋糕从烤箱里拿出来太早了，结果就是一团糟。但是光子会一个接一个地到达，在更好的几个月的周期研究中。答案是接近。目前研究小组正在研究J0437-4715和地球的下一颗中子星的数据，这颗恒星的距离是地球的两倍。Morsink说：她不确定她和她的同事会先发表哪颗中子星的半径，但这两项声明将在几个月内公布。我们的目标是在今年夏天晚些时候实现这个目标，在这个夏天，‘夏天’将被广泛应用，但我想说，到9月，我们应该有所作为！

博科园-科学科普｜文：Rafi Letzter/Live Science