理论变现实！史上质量最小的中子星被发现、可能是潜在奇异星！

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翻译：张瀚之

校对：牧夫校对组

编排：陈宏宇

后台：朱宸宇

原文链接：https://news.yahoo.com/scientists-lightest-neutron-star-ever-150025846.html；https://www.nature.com/articles/s41550-022-01800-1

研究论文摘要：

天体物理测量的数据在约束冷致密物质的状态方程中是必不可少的。这些主要来自于中子星（X射线波段）的观测，以及最新的的引力波观测。其中我们最感兴趣的是对那些比较少见的大质量中子星（约3倍太阳质量）或小质量中子星（约1倍太阳质量）的观测，因为对中子星中心密度范围的研究能够提供更宽的参数供核物理实验研究。在这里，我们研究了来源于超新星遗迹HESS J1731-347中的中心致密天体。我们基于X射线光谱建模和盖亚天文卫星（Gaia Astrometry Satellite）的观测数据，估计出此中子星的质量和半径相对为M= 0.77M⊙(太阳质量)+0.20/−0.17和R=10.4 km(千米)+0.86/−0.78。我们的计算表明，这颗天体要么是已知的最轻的中子星，要么是一颗具有更奇异状态方程的“奇异星（exotic star/strange star）”。未来研究可以采用标准中子星物质假设，限制相应的状态方程。

奇异星（exotic star/strange star）的名称类似于奇异原子（exotic atom），只要是指其成分不是一般的由元素构成的星体，而是一类成分包括基本粒子夸克或其它假想粒子，在简并压力和引力间达到平衡之后形成，并且具有其它的量子特性的致密星。

文章正文：

距离我们几千光年之外的一个相对较小的致密天体隐藏在前身星爆炸形成的遗迹之后，正在挑战我们对于恒星物理的理解。

从所有的数据来看，表面上它似乎是一颗中子星。但是，这是一颗及其不寻常的中子星。它的质量仅为太阳的77%，这是人类有史以来观测到的质量最小的中子星。

此前，有史以来观测到的最轻的中子星的质量是太阳的1.17倍。

这一最近的中子星质量发现不仅更“小”，而且比理论预测的最小中子星质量低得多。这表明，我们对这些超密天体的理解存在一些差距……或者，我们所观测到的根本不是中子星，而是一种从未被发现的、以前仅仅存在于理论之中的被称为奇异星（exotic star/strange star）的天体物体！

中子星是整个宇宙中密度最高的天体之一。一颗中子星是由质量约为太阳质量8至30倍的恒星在生命结束后留下的“遗骸”。当恒星耗尽时，它就会变成超新星，将外层物质喷射到太空中。

当恒星内核不再受到向外的核聚变压力，内核就会坍塌，形成一个密度极大的物体。原子核相互挤压，电子被迫与质子长时间接触，中子就形成了。

大多数致密天体的质量大约是太阳的1.4倍，但是理论研究认为它们的质量可能从2.3太阳质量到1.1太阳质量不等。当所有这些物质都堆积在一个直径只有20公里（12英里）左右的球体中，使得每一匙大的中子星物质的重量都在一千万到几十亿吨之间。

当然，质量比中子星高或低的恒星也可以变成致密天体。较重的会变成黑洞。较轻的会变成白矮星——密度比中子星小，质量上限为1.4倍太阳质量。

位于HESS J1731-347的超新星残骸的中心的这颗中子星是研究的主题。此前的计算表明，该残骸距离地球超过10000光年。然而，这段距离并不是难点。研究中子星的最大困难在于对距离的测量误差较大。没有精确的距离，就很难获得中子星其他特征的精确测量。

最近，科学家们在HESS J1731-347中发现了第二颗在光学波段较亮的恒星。根据Gaia map测绘调查的数据，由德国蒂宾根大学的Victor Doroshenko教授领导的一个团队重新计算了与HESS J11731-347的距离。结果发现它比预想的要近得多，距离约为8150光年。

这个发现意味着之前对中子星其他特性的估计，比如其质量，需要进一步完善。结合对中子星发射的X射线（与白矮星的X射线辐射不一致），Doroshenko教授和他的同事们能够将其半径精确到10.4公里，质量小到令人惊人的0.77倍太阳质量！

状态方程是由致密恒星半径和质量构成的函数。

这意味着它可能并不是我们所知道的中子星，而是一个漂浮在太空中还没有被确认的假想物体！

教授领导的团队在论文中写道：“我们的质量估计使HESS J1731-347中的中心致密天体成为迄今为止已知的最轻的中子星，并且可能是一个更为奇异的天体——也就是说，一个待证认的奇异星！

根据理论，一颗奇异星虽然很像中子星，但它含有更大比例的奇异夸克（strange quarks），一种基本粒子。夸克是基本的亚原子粒子，它们结合形成复合粒子，如质子和中子。夸克有六种不同的类型，夸克的种类被称为“味”，分别是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t）。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过粒子衰变，来迅速地变成上或下夸克。质子和中子就由上下夸克组成。

中子星和奇异夸克星来源: CXC/M. Weiss

理论提出了一种可能，在中子星内部极度压缩的环境中，亚原子粒子就会分解成它们的组成夸克。在这个模型下，奇异星是由相等比例的上、下和奇夸克组成的物质组成的。

奇异星是被认为在在足够大的质量（足以施加强压）下形成的。由于当足够多的夸克参与进来时，对中子星的研究结果便不再适用，因此奇异星没有下限。所以，这意味着我们不能排除这颗中子星实际上是一颗奇异星的可能性。

这将是非常酷的，因为几十年来，天体物理学家一直在寻找夸克物质和奇异夸克。但是，虽然一颗奇异星肯定是可能的，更大的可能性是，我们所看到的是一颗中子星（这也是非常酷的！）。

研究人员说：“我们获得的质量和半径与标准中子星解释完全一致，并可用于改进在这种假设下，对冷致密物质状态方程（equation of state of cold dense matter ）的天体物理约束。

这样一颗轻中子星，不管其内部成分如何，从天体物理的角度来看，都是是一个非常有趣的物体！”

在我们目前的模型下，确定这样一颗轻中子星是如何形成是一个巨大挑战。不过无论它是由什么构成的，位于HESS J1731-347核心的致密物体都有可能为我们揭开大质量恒星演化最后阶段的神秘面纱。

Reference参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41550-022-01800-1

https://www.sciencealert.com/mysterious-object-may-be-a-strange-star-made-out-of-quarks-scientists-say

https://news.yahoo.com/scientists-lightest-neutron-star-ever-150025846.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Strange_star

责任编辑：郭皓存

牧夫新媒体编辑部

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图为以利萨茹曲线为灵感的光绘。数学上，利萨茹曲线是两个沿着互相垂直方向的正弦振动的合成的轨迹。

Dietmar Rabich CC BY-SA 4.0

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