中子星例图 图片来源：Peter Jurik / Adobe Stock

天文学家发现了迄今为止最大的中子星，这是一颗距离地球约4600光年的快速旋转的脉冲星。这个破纪录的天体正在“生死边缘”徘徊，它接近中子星理论上可能的最大质量。

中子星（大质量恒星变为超新星后的压缩残骸）是宇宙中已知密度最大的“常规”天体。从技术上讲，黑洞的密度更大，但“远非常规”。单是一块方糖那样大的中子星物质就可达1亿吨，约相当于地球全部人口的质量。尽管天文学家和物理学家几十年来一直在研究这些天体，但关于其内部特征仍有许多谜团：碎中子是否会变成“超流体”并自由流动？它们会分解成亚原子夸克或其他奇异粒子的混合物吗？重力超过物质形成黑洞的临界点是什么？

一个天文学团队利用美国国家科学基金会（NSF）格林班克望远镜（GBT），让我们离这些答案更近了一步。

北美毫微米引力波天文台（NANOGrav）物理前沿中心的研究人员发现，一颗名为J0740+6620的快速旋转毫秒脉冲星，是迄今所测量到的质量最大的中子星，其质量相当于太阳的2.17倍，但直径却仅有30公里左右。这种测量方法接近单个天体在不将自身挤压为黑洞的情况下质量和紧凑程度的极限。最近，激光干涉引力波天文台（LIGO）观测到的中子星碰撞产生的引力波表明，2.17个太阳质量可能非常接近这个极限。

“中子星神秘且令人着迷。”美国弗吉尼亚大学研究生、夏洛茨维尔国家射电天文台博士生Thankful Cromartie说，“这些城市大小的天体本质上是巨大的原子核。它们是如此之大，以至于其内部呈现出奇异的特性。找到物理和自然上允许的最大质量的中子星，可以让我们了解天体物理学中这个原本无法触及领域的很多知识。”

脉冲星得名于它们从磁极发射出的两束无线电波。这些光束像灯塔一样扫过空间。有些脉冲星每秒旋转数百次。由于脉冲星以如此惊人的速度和规律自转，天文学家可以把它们当作宇宙中的原子钟。这种精确的计时有助于天文学家研究时空的本质，测量恒星物体的质量，加深对广义相对论的理解。

这个双脉冲系统与地球的关系近乎于平行，这种宇宙精度为天文学家计算这两颗恒星的质量提供了一个途径。

当这颗脉冲星从其白矮星伴星后经过时，信号的到达时间会出现细微的延迟（约为千万分之一秒）。这种现象被称为“引力时延”。根据爱因斯坦的广义相对论，从本质上讲，白矮星的引力会轻微扭曲它周围的空间。这种扭曲意味着，来自旋转中子星的脉冲在绕着白矮星导致的时空扭曲运动时，会走得更远一点。

天文学家可以利用这种延迟计算白矮星的质量。一旦知道其中一颗在轨天体的质量，精确确定另一颗的质量就相对简单了。

这篇近日发表于《自然—天文学》的文章是与Cromartie的博士论文相关的一篇文章。她的博士论文提出，在共同轨道的两个特殊点观测这个系统，从而精确计算中子星的质量。

“这个双星系统的情况构成了一个绝妙的宇宙实验室，”NRAO天文学家、文章共同作者Scott Ransom说，“中子星有一个临界点，当其内部密度达到极端时，其引力就会超过中子抵抗进一步坍缩的能力。”

“我们发现的每一颗‘质量最大’的中子星都让我们更接近于确定那个临界点，并帮助我们了解这些令人难以置信的高密度的天体。”Ransom补充说。（冯维维编译）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41550-019-0880-2