中子星内部藏着什么？科学家有望通过引力波“看见”其内部

IT之家 3 月 16 日消息，据 Space 报道，借助双中子星旋向剧烈合并过程中释放的引力波所留下的潮汐相互作用印记，我们或许很快就能“看见”中子星内部，探明其中潜藏着的、由奇异物理规律支配的极端物质。

该研究负责人、伊利诺伊大学的尼古拉斯 · 尤尼斯在一份声明中表示：“我们希望能从中获取中子星内核密度下的物态方程相关信息。真的像一些人近期提出的那样，存在夸克核吗？其内部是否发生着我们尚不了解的相变？”

中子星是大质量恒星爆发超新星后的致密残骸，其直径与一座大型城市相当，质量却数倍于太阳，密度极高。其内部压力巨大，原子被挤压碎裂成基本粒子；带正电的质子与带负电的电子被挤压在一起，形成中性中子汤，这也是它被称为中子星的原因。

而在更靠近中子星核心的深处，情况可能更为奇异。极端的引力压力或许会将中子进一步粉碎，分解为构成它的基本粒子 —— 夸克，以及通常将夸克束缚成质子和中子的胶子。

科学家将这种物质状态称为夸克-胶子等离子体。这种物质状态存在于宇宙大爆炸后的最初极短瞬间，除粒子加速器实验外，宇宙中唯一可能存在夸克-胶子等离子体的地方，就是中子星内部。

因此，若科学家能洞悉中子星内部，就能进一步了解大爆炸后瞬间的物质状态。

据IT之家了解，双中子星系统一直被视为破解其内部奥秘的最佳研究对象。这类双中子星沿椭圆轨道相互绕转，不断靠近，最终碰撞并合并形成千新星。关键在于，它们旋近的过程会释放引力波。

如今，由尤尼斯与普林斯顿大学的阿比希谢克 · 赫加德领衔的科学家团队认为，他们已找到方法：通过解析这些引力波的频率，来解读中子星的内部结构。

“当它们相互靠近时，一颗中子星产生的潮汐力会使另一颗发生形变，反之亦然。”赫加德说，“形变的程度取决于恒星内部的物质构成。”

难题在于，中子星相互绕转时的极端引力与极高速度（可达光速的 40%），迫使科学家必须借助爱因斯坦的广义相对论求解。这是一项复杂的工作，但尤尼斯和赫加德认为他们现已找到答案。

双中子星通过引力潮汐相互改变彼此的形状与结构时，会在内部引发振荡，如同钟鸣一般。这些振荡的模式被称为振动模态，其频率会烙印在双中子星辐射出的引力波中。

想要理解这一双星系统，需要完整的模态信息。但解析这些模态十分复杂：潮汐力是动态变化的，会随中子星的绕转而改变，且两颗星的作用相互叠加，让观测难度进一步增加。

尤尼斯指出：“如果没有完整的模态集合，在建模时很可能会遗漏潮汐响应的部分信息。因为在描述响应的数学模型中，你可能会忽略捕捉全部物理现象所需的关键部分。”

牛顿物理学（即基于牛顿万有引力定律的基础引力理论）包含普通物体的完整振荡模态，这类模态被称为阻尼谐振子。但在相对论物理中，能否推导出所有模态一直尚不明确。例如，双中子星辐射的引力波是广义相对论（取代牛顿引力理论）所描述的现象，并不在牛顿物理学的考量范围内。

赫加德说：“如果一个系统在不断损失能量，那它的模态就不可能是完整的。”

团队的解决思路是拆解问题：单独分析每一颗中子星，将伴星仅视作潮汐引力源。随后，他们把每颗中子星按不同尺度划分为引力强度各异的区域，分别描述强引力与弱引力环境，为每个尺度找到近似解后再进行整合。他们甚至发现，引力波造成的能量损失被有效抵消了。这让他们成功推导出描述中子星内部所有振荡模态的解，以及这些模态如何烙印在最终引力波的频率中。

“我们证明了两个关键结论。”赫加德说，“第一，通过剔除辐射效应，我们证实中子星的模态确实构成完整集合；第二，只要用足够‘平滑’的潮汐场稳定求解一组特定方程，就能得到恒星内部的解，在广义相对论中可以实现与牛顿引力理论中完全相同的分析。”

这项研究尚未结束。目前，尤尼斯与赫加德团队的成果还停留在纯理论层面，现有引力波探测器在高频段的灵敏度还不足以探测到这类印记。但两人乐观认为，下一代探测器将能实现这一目标。

该研究成果已于 2 月 18 日发表在《物理评论快报》期刊上。