绘图：Foreal

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中子星是质量在必定范围内的恒星耗尽燃料并塌缩后留下的极点细密的残骸。它们含有国际中最细密的物质（黑洞不属于物质的领域），但详细成分一向是一个未解之谜。科学家知道，在中子星内部，引力把质子和电子紧缩成了中子，但却不知道这些中子是以什么样的方法存在的。它们是组合起来构成无黏滞的“超流体”，仍是被进一步分化成更底子的夸克和胶子？

当一颗质量是太阳20倍的恒星逝世之后，它会变成巨细如一座城市，密度高得难以想象的天体——中子星。用NASA天体物理学家扎文·阿祖马尼安（Zaven Arzoumanian）的话说，中子星是“大大都人从未听说过的最独特天体”，一块乒乓球巨细的中子星物质，分量就超越了10亿吨。

天文学家以为，在引力的挤压下，中子星内部的大大都质子和电子交融成了中子——它便是因而而得名的。但这并不是终究结论，天文学家从来没有近间隔调查过中子星，地上试验室也无法制造出挨近其密度的物质，因而，中子星内部结构仍是国际中的严重谜题之一。

中子星内部含有已知引力最强的物质——再添加一点质量，它们将会变成黑洞，而后者实质上并非物质而是极点曲折的时空。“这个临界情况是什么姿态的？” 阿祖马尼安说，“这便是咱们正在探究的问题。”

为了回答这个问题，研讨者提出了若干个彼此竞争的理论：

一些理论以为，中子星里边的确都是中子，或许还有少数质子。

而其他理论提出，中子星里边的物质情况比这更古怪。或许中子星内部的中子被分化成了更底子的粒子，即夸克和胶子，它们在自在粒子的海洋中自由自在地游动着。

还有一种或许是，这些天体由更独特的物质构成，比方超子。超子是一种独特的粒子，不只由“上”和“下”夸克（原子中的夸克）构成，还包含了更重的 “独特”夸克。

因为咱们不能把中子星切开看看里边有什么，所以没有一个简略的办法来判别这些理论哪个才是正确的。尽管如此，科学家仍是取得了一些发展。一个严重突破呈现于2017年8月，研讨者经过地上试验勘探到了两颗中子星正面相撞发作的引力波。引力波是大质量物体加速运动时发作的时空动摇，这次检测到的引力波携带了两颗发作磕碰的中子星的质量和巨细等重要信息，使用这些信息，科学家就能够进一步确认中子星的性质和内部成分。

2017年6月开端在国际空间站上运转的中子星内部成分勘探器（NICER）也在协助科学家收集头绪。NICER监督的是脉冲星这种具有强磁场并快速自转的中子星。脉冲星发射出的光束会不断扫过星际空间，当地球处于光束扫过的区域时，咱们就会看见脉冲星在以高得令人震惊的频率“眨眼睛”，最快1秒能闪耀700屡次。经过这些试验，科学家有望澄清中子星里边究竟是什么。假如真能完成这个方针，咱们不光能够更好地知道这类奇怪天体，还能了解极点条件下的物质和引力。

超流海洋

恒星在中心耗尽燃料而中止发作能量时，或许会发作超新星迸发，中子星便是从这种灾难性的迸发中铸造出来的。忽然没有了对手的引力会像活塞相同锤击恒星，吹散外面的包层，击碎中心。处于这个阶段的恒星，其间心主要是铁构成的。强壮的引力能够压碎原子，将电子挤进原子核使它们和质子交融发作中子。“来自五湖四海的压力将铁紧缩了10万倍，”圣路易斯华盛顿大学的物理学家马克·奥尔福德（Mark Alford）说，“直径十分之一纳米的原子变成了直径几飞米的中子。”这就像是把地球紧缩成一个街区的巨细。当恒星中止塌缩后，内部的中子数量大概是质子的20倍。

物理学家以为，中子星的质量大约是太阳的1~2.5倍，或许有至少三层结构。最外层是由氢和氦组成的气态“大气”，厚度为几厘米到几米。这层大气漂浮在厚度约1千米、由原子核构成的外“壳层”之上。在这一层中，原子核排列成晶格结构，电子和中子充满于其间。最里边的第三层包含了中子星的大部分质量，其详细成分仍是个谜。这儿的原子核挤在一同，几乎没有剩下空间，到达了核物理能答应的最高密度。越接近中子星的中心，每个原子核内的中子数就越多。在某处，原子核将无法包容更多的中子，这时中子会溢出，此刻再也没有原子核了，只要核子（即质子和中子）。终究，在中子星最深处，这些粒子也或许被分化。

 

“对这种反常高压和高密度情况下的物质，咱们的知道还处于假说阶段。” 奥尔福德说，“咱们以为，中子实际上或许现已被压碎了并彼此堆叠，所以你无法将它当作中子流体，而是应该称其为夸克流体。”

这种流体详细是什么方法的，仍是个没有结论的问题。一种或许是，夸克构成了“超流体”，这样的流体没有黏性，理论上一旦运动起来就永久不会停下来。中子星内部呈现这种古怪的物质情况是或许的，因为夸克之间的关联性使得它们在满足接近时或许构成捆绑的“库珀对”。

夸克自身是费米子——其自旋量子数是半整数。当两个夸克配对后，它们全体表现为玻色子——其自旋为整数。这一改变意味着粒子将遵从新的规则。费米子遵守泡利不相容原理，即两个相同的费米子不能占有相同的情况——可是玻色子不受这样的约束。在拥堵的中子星内部，作为费米子，夸克不得不具有越来越高的能量以便占有比其他夸克更高的能级。但是，变成玻色子之后，它们能够悉数待在能量最低的情况。当夸克对处于这种情况时，就构成了超流体。

 

在密度最高的中心区域之外，中子还坚持完好情况，它们也能够配对构成超流体。实际上，科学家坚信中子星的壳层有超流体，依据来自于脉冲星的“周期跃变”，即中子星的自转忽然在一段时刻内变快。中子星的自转会自然地变慢，而活动时不受摩擦力效果的超流体却不会变慢。当两者自转速度的差异变得太大时，超流体会将角动量转移到壳层。“就像是地震，” 纽约州立大学石溪分校的天文学家詹姆斯·拉蒂默（James Lattimer）说，“中子星打了个嗝，忽然释放出一些能量，自转频率短时刻内添加，然后又康复。”

2011年，拉蒂默和搭档宣称，他们找到了中子星中心存在超流体的依据，但他供认这还存在争议。拉蒂默的团队在墨西哥国立自治大学的达尼·帕日（Dany Page）的领导下，研讨了仙后座A的X射线观测数据。他们发现，星云中心的脉冲星冷却速度要比传统理论预期的更快。一种解说是，中子星内部的一些中子两两配对成为超流体，中子对散开又从头结成时会宣布中微子，使得中子星失掉能量而冷却。

 

仙后座A是古代超新星的遗址，其间心有一颗中子星。有痕迹标明这颗中子星的中心是“超流体”。

怪异的夸克

超流体仅仅是中子星奥秘大门背面躲藏的一种或许性。中子星还或许是稀有的“独特夸克”之家。

夸克有六种类型，或许更切当地说是有六种滋味——上、下、粲、独特、顶、底。原子中仅存在上和下这两味最轻的。其他的滋味质量太大而不稳定，所以它们往往仅在粒子加速器（例如大型强子对撞机）的高能粒子磕碰试验中时刻短呈现。可是在极点细密的中子星内部，中子内的上、下夸克或许有一些会改变成独特夸克（其他的稀有滋味——粲、顶、底夸克因为质量太大，即便在这儿也不大或许构成）。假如独特夸克呈现并且与其他夸克捆绑在一同，会构成中子的“变异体”——超子。也或许这些夸克底子没有组成其他粒子，而是自在地周游在“夸克汤”之中。

 

每一种或许的物质情况都会显著地影响中子星的巨细。用阿祖马尼安的话说，中子“就像弹珠，构成一个坚固的固态中心”。固态中心会撑起外层，使中子星变得大一些。另一方面，假如这些中子分化成了一锅夸克胶子汤，就会构成一个“较软的、糊状”的中心，中子星的半径也会变小。NICER试验的意图便是确认哪个解说是正确的。阿祖马尼安是该项意图首席研讨员之一，主管科学业务，他说 ：“NICER的要害方针之一是丈量中子星的质量和半径，以此协助咱们挑选或扫除关于细密物质的某些理论。”

NICER是一个洗衣机巨细的盒子，安装在国际空间站外部。它继续地监督天空中的数十颗脉冲星，勘探从它们宣布的X射线光子。NICER能勘探光子的能量和到达时刻，还有光线在中子星引力场效果下的曲折程度，然后协助科学家核算这些脉冲星的质量和半径，并进行比较。

NICER作业示意图（图片来历：NASA‘s Goddard Space Flight Center）

丈量中子星的半径能够有效地精简有关中子星内部物质情况的候选理论。科学家从前以为中子星内部一半的中子会改变为含有独特夸克的超子。理论核算标明，这种富含超子的中子星无法超越1.5倍太阳质量。但是在2010年，由美国国家射电天文台的保罗·德莫雷斯特（Paul Demorest）领导的天文学家丈量到一颗中子星有1.97倍太阳质量，这一发现扫除了许多关于中子星内部的理论。现在物理学家估量中子星内部的超子含量不会多于10%。

磕碰现场

研讨单个的中子星让咱们收成颇多，但研讨两颗中子星的磕碰更有价值。多年来，天文学家经过望远镜观测到了一些名为伽马射线暴的激烈亮光现象，他们一向置疑这类事情源自两颗中子星的磕碰。而经过2017年8月勘探到的引力波，天文学家总算看到了榜首例中子星并合。

2017年8月17日，两个试验组——激光干与引力波天文台（LIGO）和欧洲的Virgo——一起勘探到了两颗中子星彼此旋进，然后并组成一颗中子星或黑洞时发作的引力涟漪。这并不是科学家榜首次勘探到引力波，但之前的引力波都来自两颗黑洞的磕碰。不光如此，这次在勘探到引力波的一起，科学家也使用望远镜观测到了来自天空同一个方位的电磁波。电磁波和引力波加在一同，供给了有关磕碰发作的方位和进程的很多信息，对研讨中子星物理大有益处。

天体物理学家追寻引力波找到了间隔地球1.3亿光年的一对中子星。引力波的细节，即频率、强度以及形式随时刻的改变，能让研讨人员估算出磕碰前两颗星的质量大概是太阳的1.4倍，半径是11~12千米。这些信息能够协助科学家构建出一个描绘中子星实质的要害方程，即情况方程。这种方程描绘了物质在不同压强和温度下的密度，应当适用于国际中所有的中子星。

对应不同的中子星内部物态，理论学家现已提出了若干或许的情况方程，而新的观测能够扫除其间的一些。例如，这次观测发现中子星的半径相对较小，让人颇感意外。假如试图用相同的情况方程描绘这些细密中子星和已知的大质量中子星（例如1.97倍太阳质量的庞然大物），一些理论就会陷入困境。

物质的极限

如能提高引力波勘探器的灵敏度，咱们会得到巨大的报答。例如，有一种查验中子星物态的办法是寻觅内部旋转流体宣布的引力波。假如流体的黏性很低或许为零——就像超流体那样——它会以一种名为r形式的特别方法活动，并宣布引力波。“这种引力波比并合宣布的引力波弱得多。” 奥尔福德说，“物质在静静地晃动而不是被撕裂开。” 奥尔福德和他的合作者确认，现在运转的先进LIGO勘探器无法看到这类引力波，但未来LIGO的升级版以及一些谋划中的天文台，例如欧洲考虑建造的地上爱因斯坦望远镜，是或许看到的。

破解中子星谜题能够协助咱们知道处在难以了解的极点情况下的物质。这种物质与构成咱们国际的原子差异极大，能扩展咱们的认知疆界。它或许将一些奇思妙想变成实际，比方流体般闲逛的夸克物质、超流中子和与众不同的超子星。并且，了解中子星还有更大的含义：物理学家更深层的方针是使用这些细密恒星来处理更重要的不知道问题，例如分配原子核内彼此效果的规律，以及物理学最大的未解之谜——引力的实质。

中子星仅仅是研讨核力的一种方法，国际各地的粒子加速器也在做这类研讨，后者能够像显微镜那样窥视原子核内部。当大都核物理问题被处理后，科学家就能够将要点转向引力。“中子星交融了引力物理和核物理，”麻省理工学院的奥尔·亨（Or Hen）说，“现在咱们正把中子星用作试验室来研讨核物理。因为咱们能够使用地球上的原子核，咱们有望终究将核物理方面的问题研讨得十分透彻。然后咱们就能够使用中子星去研讨引力，这也是最具挑战性的物理问题之一。”

咱们现在的引力理论是爱因斯坦的广义相对论，它与量子力学难以相容。这两个理论终有一个要做出退让，而物理学家不知道是哪一个。“咱们会知道的，” 亨说，“这样的远景令人兴奋不已。