中子星的内核是什么样的？科学家“撬开”了它的外壳

在距离我们3600光年的位置上，有一颗宇宙中的极端星球，它行走在中子星和黑洞的边缘。稍有不慎，就会坍缩成宇宙中最恐怖的天体。

已知最大的中子星

PSR J0740+6620（简称J0740）是迄今为止科学家发现最巨大的中子星，质量大约是太阳的2.1倍。即便它如此之重，但体积却非常小，直径只有20多公里，如果把一头放在天安门，另一头可能连香山公园都碰不到。

它以每秒346次的惊人速度在自转，并且与旁边的一颗白矮星共同组成了一个双星系统。

我们知道，当一颗恒星死亡时，如果它的核心质量超过钱德拉塞卡极限，也就是大约1.44倍太阳质量，那么它就会坍缩为一颗中子星。如果说超过了奥本海默极限，那么就会变成宇宙中最恐怖的天体，那就是黑洞。

那么，这颗恐怖的天体内部，到底有着怎样的结构呢？这里到底为何会有如此惊人的密度呢？

中子星的内部结构

早在1934年，科学家就提出了中子星的概念。从理论上讲，当一颗超新星的核心质量超过太阳的1.44倍，内部的电子就无法对抗简并压力，最终与质子融为一体，形成了一个完全由中子构成的天体，因此名为中子星。

即便如此，科学家们还是认为，中子星也是有分层结构的，而非完全是由中子构成的。

在中子星的外侧，同样存在着大气层，只不过是由氢、氦等元素构成的。并且，由于中子星引力过于巨大，所以这个大气层被紧紧地吸附在表面，非常薄。

星体的最外层是外壳（qiào），巨大的压力导致电子脱离了原子核，形成了等离子体。而在内壳中，连中子也被压得变成了超流体状态。

到了中子星的核心处，科学家们又将其分为两部分。外核部分的压力也非常巨大，中子和质子分离，同时质子也和电子合并为中子，形成为完全是中子的世界。这里的中子被恐怖的压力挤在一起，其密度甚至是原子核的2倍，这也是导致中子星拥有恐怖密度的重要原因。

谜之内核

直到这里，我们的分析似乎还挺明确的。但到了内核，问题就出现了：这是一个怎样的世界呢？根据传统的中子星模型，科学家们认为，质量较小的中子星，内核处应该同样是大量的中子。可问题在于，如果是像J0740这样的巨型中子星呢？它的压力更为巨大，是否会进一步压缩内核，以至于中子都分裂了呢？

我们知道，中子是由夸克组成的。理论上来讲，由于夸克禁闭的作用，我们不太可能看到单独存在的夸克。但如果是足够极端的条件，那么夸克也有可能游离出来，这就是所谓的夸克汤。对于科学家们来说，中子星内部，或许就足够极端，但这个猜想也没有得到证实。

问题在于，中子星距离我们都非常遥远，而且我们也不可能撬开它的地壳与外核，又如何知道它的内部结构呢？

其实很简单，只要我们测量出它的直径和质量，就能算出密度。如果它的内核是夸克汤，那么显然比普通中子星密度更高。如果它的密度和小型中子星一样，那就证明它的内核也是同样的中子。

最近，凭借着新型观测设备的帮助，科学家们终于破解了这个谜题。

“撬开”中子星的外壳

为了更好地了解中子星这种天体，NASA在2017年的时候在国际空间站上安装了一台强大的观测设备，那就是中子星内部组成探测器（简称NICER）。它可以对中子星的半径、质量、自转、磁场等各个方面进行探测，帮助科学家获得关于中子星的重要参数，甚至是了解这种极端天体的内部结构。

为了从最大的精度上对中子星的尺寸进行测量，NASA的科学家们选择了中子星中特殊的一种，那就是脉冲星。脉冲星的特点就是可以向宇宙中发射强大的脉冲，并且在高速自转的条件下，就像是宇宙中的灯塔一样引人注意。

爱因斯坦的广义相对论告诉我们，质量是可以扭曲时空的。当光线途径被大质量天体扭曲的时空时，就会被重新导向，这就是引力透镜效应。同样的，脉冲星也可以起到类似的效果，而且这会导致我们看到的脉冲星显得更大了。同样质量的天体，密度越大，扭曲的程度也越明显，以至于脉冲星所发出来X射线都会受到影响。

此前，科学家们已经得到了J0740的质量数据。只要通过光线的扭曲程度计算出它的半径，就可以知道它的密度了。

在这次研究中，一共有两个小组利用两种不同的方法对其直径进行了模拟，其中阿姆斯特丹大学的博士后研究员Thomas Riley和天体物理学教授Anna Watts的团队得到的结果是24.8公里左右，而马里兰大学学院公园分校的天文学教授Cole Miller的团队得到的结果是27.4公里左右。双方在不确定性范围内取了重叠的区间，也就是24.4-32.6公里之间。

然后，他们与此前的其他脉冲星进行了对比。

2019年时，Riley和Miller曾经带领一支团队对一颗名为J0030+0451的脉冲星进行了测量，发现其质量是太阳的1.4倍（基本是最小的脉冲星），直径为26公里。

如今的研究发现，两颗脉冲星在质量和尺寸上的差距，不足以解释可能存在的夸克汤状态。

相应的，最近的一些新理论模型，或许可以解释中子星内核的状态。有科学家认为，那里可能是中子、质子以及夸克或新的夸克组合的粒子所杂糅在一起的复杂状态。不过，关于中子星的内核，仍然有待于NICER更多的观测数据来进行支撑。同样的，J0740未来会不会变成黑洞，也有待于进一步的研究。

在此之前，科学家们还尝试过通过引力波对两颗碰撞的中子星进行观测和分析，来了解其内部结构。尽管中子星是如此极端的天体，但科学家还是能够找到各种方法来了解它的内部结构。相信未来的一天，黑洞的秘密也将被我们知晓。

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