中子星內部藏著什么？科學家有望通過引力波“看見”其內部

IT之家 3 月 16 日消息，據 Space 報道，借助雙中子星旋向劇烈合并過程中釋放的引力波所留下的潮汐相互作用印記，我們或許很快就能“看見”中子星內部，探明其中潛藏著的、由奇異物理規律支配的極端物質。

該研究負責人、伊利諾伊大學的尼古拉斯 · 尤尼斯在一份聲明中表示：“我們希望能從中獲取中子星內核密度下的物態方程相關信息。真的像一些人近期提出的那樣，存在夸克核嗎？其內部是否發生著我們尚不了解的相變？”

中子星是大質量恒星爆發超新星后的致密殘骸，其直徑與一座大型城市相當，質量卻數倍于太陽，密度極高。其內部壓力巨大，原子被擠壓碎裂成基本粒子；帶正電的質子與帶負電的電子被擠壓在一起，形成中性中子湯，這也是它被稱為中子星的原因。

而在更靠近中子星核心的深處，情況可能更為奇異。極端的引力壓力或許會將中子進一步粉碎，分解為構成它的基本粒子 —— 夸克，以及通常將夸克束縛成質子和中子的膠子。

科學家將這種物質狀態稱為夸克-膠子等離子體。這種物質狀態存在于宇宙大爆炸后的最初極短瞬間，除粒子加速器實驗外，宇宙中唯一可能存在夸克-膠子等離子體的地方，就是中子星內部。

因此，若科學家能洞悉中子星內部，就能進一步了解大爆炸后瞬間的物質狀態。

據IT之家了解，雙中子星系統一直被視為破解其內部奧秘的最佳研究對象。這類雙中子星沿橢圓軌道相互繞轉，不斷靠近，最終碰撞并合并形成千新星。關鍵在于，它們旋近的過程會釋放引力波。

如今，由尤尼斯與普林斯頓大學的阿比希謝克 · 赫加德領銜的科學家團隊認為，他們已找到方法：通過解析這些引力波的頻率，來解讀中子星的內部結構。

“當它們相互靠近時，一顆中子星產生的潮汐力會使另一顆發生形變，反之亦然。”赫加德說，“形變的程度取決于恒星內部的物質構成。”

難題在于，中子星相互繞轉時的極端引力與極高速度（可達光速的 40%），迫使科學家必須借助愛因斯坦的廣義相對論求解。這是一項復雜的工作，但尤尼斯和赫加德認為他們現已找到答案。

雙中子星通過引力潮汐相互改變彼此的形狀與結構時，會在內部引發振蕩，如同鐘鳴一般。這些振蕩的模式被稱為振動模態，其頻率會烙印在雙中子星輻射出的引力波中。

想要理解這一雙星系統，需要完整的模態信息。但解析這些模態十分復雜：潮汐力是動態變化的，會隨中子星的繞轉而改變，且兩顆星的作用相互疊加，讓觀測難度進一步增加。

尤尼斯指出：“如果沒有完整的模態集合，在建模時很可能會遺漏潮汐響應的部分信息。因為在描述響應的數學模型中，你可能會忽略捕捉全部物理現象所需的關鍵部分。”

牛頓物理學（即基于牛頓萬有引力定律的基礎引力理論）包含普通物體的完整振蕩模態，這類模態被稱為阻尼諧振子。但在相對論物理中，能否推導出所有模態一直尚不明確。例如，雙中子星輻射的引力波是廣義相對論（取代牛頓引力理論）所描述的現象，并不在牛頓物理學的考量范圍內。

赫加德說：“如果一個系統在不斷損失能量，那它的模態就不可能是完整的。”

團隊的解決思路是拆解問題：單獨分析每一顆中子星，將伴星僅視作潮汐引力源。隨后，他們把每顆中子星按不同尺度劃分為引力強度各異的區域，分別描述強引力與弱引力環境，為每個尺度找到近似解后再進行整合。他們甚至發現，引力波造成的能量損失被有效抵消了。這讓他們成功推導出描述中子星內部所有振蕩模態的解，以及這些模態如何烙印在最終引力波的頻率中。

“我們證明了兩個關鍵結論。”赫加德說，“第一，通過剔除輻射效應，我們證實中子星的模態確實構成完整集合；第二，只要用足夠‘平滑’的潮汐場穩定求解一組特定方程，就能得到恒星內部的解，在廣義相對論中可以實現與牛頓引力理論中完全相同的分析。”

這項研究尚未結束。目前，尤尼斯與赫加德團隊的成果還停留在純理論層面，現有引力波探測器在高頻段的靈敏度還不足以探測到這類印記。但兩人樂觀認為，下一代探測器將能實現這一目標。

該研究成果已于 2 月 18 日發表在《物理評論快報》期刊上。