中子星是宇宙中最极端的物体之一。它们是由超巨星坍缩的核心形成的，比太阳还重，但却被压缩成一个城市大小的球体。
作者
丹尼尔·里尔登
斯威本科技大学脉冲星计时和引力波博士后研究员
这些奇异恒星的致密核心包含着被挤压成独特状态的物质，我们不可能在地球上复制和研究这些物质。这就是为什么美国宇航局要研究中子星，并了解控制中子星内部物质的物理原理。
我和我的同事一直在帮助他们。我们利用一颗快速旋转的中子星发出的无线电信号来测量它的质量。这使得科学家们能够利用美国宇航局的数据来测量恒星的半径，从而为我们提供了关于恒星内部奇怪物质的最精确信息。
中子星的内部是什么?
中子星核心的物质密度甚至比原子核还要大。作为宇宙中密度最大的稳定物质形式，它被挤压到极限，处于坍缩成黑洞的边缘。了解物质在这些条件下的行为是对基础物理理论的关键考验。
美国宇航局的中子星内部成分探测器(NICER)任务正试图解开这种极端物质的奥秘。
NICER是国际空间站上的一个x射线望远镜。它探测到来自中子星表面热点的x射线，那里的温度可以达到数百万度。
科学家们对这些x射线的时间和能量进行建模，绘制出热点，并确定中子星的质量和大小。
了解中子星的大小与质量之间的关系，将揭示中子星核心物质的“状态方程”。这告诉科学家中子星有多软或多硬——“可挤压性”有多强，以及它是由什么组成的。
一种更温和的状态方程可能表明，核心中的中子正在分裂成一种由更小粒子组成的奇异汤。更复杂的状态方程可能意味着中子会抵抗，从而导致更大的中子星。
状态方程还决定了中子星在碰撞时如何以及何时被撕裂。
解开了中子星邻居的谜团
NICER的主要目标之一是一颗名为PSR J0437-4715的中子星，它是离我们最近、最亮的毫秒脉冲星。
脉冲星是一种中子星，它会发射无线电波，每次中子星旋转时，我们都会观察到它的脉冲。
这颗脉冲星每秒旋转173次(和搅拌机一样快)。我们已经用CSIRO在新南威尔士州的帕克斯射电望远镜Murriyang观测了近30年。
研究NICER数据的团队面临着这颗脉冲星的挑战。来自附近星系的x射线使得很难准确地模拟中子星表面的热点。
幸运的是，我们能够使用无线电波找到脉冲星质量的独立测量方法。如果没有这一关键信息，研究小组就无法恢复正确的质量。
给中子星称重都是布特时机
为了测量中子星的质量，我们依赖于爱因斯坦广义相对论中描述的一种效应，即夏皮罗延迟。
像脉冲星这样的大质量和密集的物体——在这种情况下是它的伴星，一颗白矮星——会扭曲空间和时间。这颗脉冲星和这颗伴星每5.74天绕彼此运行一次。当脉冲星发出的脉冲穿过白矮星周围被压缩的时空到达我们这里时，它们会被延迟几微秒。
这种微秒级的延迟很容易用像PSR J0437-4715这样的脉冲星来测量。帕克斯脉冲星定时阵列项目定期观测这颗脉冲星和其他类似的毫秒脉冲星，该项目利用这些脉冲星探测引力波。
因为PSR J0437-4715离我们相对较近，所以从我们的角度来看，它的轨道在地球绕太阳公转时似乎有轻微的摆动。这种摆动为我们提供了更多关于轨道几何形状的细节。我们用这个和夏皮罗延迟一起计算白矮星伴星和脉冲星的质量。
PSR J0437-4715的质量和尺寸
我们计算出这颗脉冲星的质量是典型的中子星，是太阳质量的1.42倍。这很重要，因为这颗脉冲星的大小也应该是典型中子星的大小。
利用NICER数据的科学家随后能够确定x射线热点的几何形状，并计算出中子星的半径为11.4公里。这些结果为中子星在中等密度下的状态方程提供了迄今为止最精确的锚点。
我们的新图像已经排除了最软和最硬的中子星状态方程。科学家们将继续破译中子星内核中存在的奇异物质究竟意味着什么。理论认为，这种物质可能包括从更大的粒子或被称为超子的稀有粒子中逃脱出来的夸克。
这些新数据为中子星内部的新兴模型提供了新的信息，该模型还通过对中子星碰撞产生的引力波和相关的千新星爆炸的观测得到了信息。
Murriyang在协助美国宇航局的任务方面有着悠久的历史，并以作为阿波罗11号月球行走的主要镜头接收器而闻名。现在，我们已经使用这个标志性的望远镜来“权衡”中子星内部的物理学，推进我们对宇宙的基本理解。
丹尼尔·里尔登获得了澳大利亚研究委员会引力波发现卓越中心(OzGrav)的资助。
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