致密如喜马拉雅山压缩进马克杯 中子星的质量上限在哪里？

去年8月，一场由两颗中子星碰撞并合、散落大量黄金铂金的“宇宙焰火”，被誉为年度科学事件。借助引力波探测器和天文望远镜，科学家们得以更多地了解奇妙而极端的中子星。

比如，这种密度犹如将整座喜马拉雅山脉压缩进一个马克杯的致密天体，最重能有多重？

德国法兰克福大学的天文学家们这次计算出了一个严格的上限：2.16倍太阳质量，论文发表在最新一期的《天文物理学报》上。

极端天体

中子星是宇宙中的一种“极端”天体，几乎完全由中子构成。中子和质子一样，都是组成原子的粒子，但呈电中性，比质子略大。

当一个恒星走向寿命尽头，经由引力坍缩发生超新星爆炸，根据质量的不同，内核可能被压缩成白矮星、中子星或黑洞。

1933年，人类发现了中子。次年，美国物理学家Walter Baade和瑞士物理学家Fritz Zwicky提出了中子星的假设。

1967年，24岁的剑桥大学女研究生Jocelyn Bell从射电望远镜中发现了一些有规律的脉冲信号。这类新的天体后来被命名为脉冲星，其实，它们本质上是高速旋转的中子星，在旋转过程中周期性地发射出电磁波。

中子星是目前已知的最小、最致密的恒星，一茶匙中子星物质就重达10亿吨，其产生的引力场与黑洞相当。目前，人类发现在中子星平均半径在12公里左右，质量却普遍达到1.4倍太阳，脉冲星PSR J0348+0432甚至超过了2倍太阳质量。

自发现之日，科学家们就在好奇：中子星的质量上限在哪里？

普遍联系

不同于黑洞，中子星的质量原则上不能无止尽地增加。在一定质量范围内，中子星的密度会随着质量的增加而增加，达到新的平衡状态；但超过一定上限，中子星就会不可避免地坍缩成黑洞。

这个质量上限难以计算，因为，科学家们目前对中子星组成物质的状态方程式所知甚少。

法兰克福大学教授Luciano Rezzolla用一种另辟蹊径的计算模型解答了这个40年的疑问：不旋转的中子星质量上限是2.16倍太阳质量，结果精确度在90%以上。

计算基于法兰克福大学2016年提出的“普遍联系”原则。所谓普遍联系，即中子星的属性之间存在无因次量（与单位无关的物理量，如摩擦系数）。

研究人员计算了海量星系模型，发现经过适当的标准化后，这些数据表现出独立于状态方程式之外的普遍特征。由此，他们得出了与中子星各项属性间的普遍联系，包括质量上限。

参与研究的Cosima Breu说道：“答案远在天边近在眼前，找准角度就能看到。”

这次，研究人员将这些无因次量与双中子星并合时获得的引力波和电磁波信号数据结合，大大简化了计算量，对中子星的质量给出了最新的限定。

一场数百万光年外的中子星并合由此和Luciano Rezzolla近期的理论研究产生了奇妙的互动，共同揭晓一个困扰天文学家多年的谜底。他说道：“理论之美在于预测。不过，理论一直急需由实验排除一部分不确定性。”

研究发表在《天文物理学报》数天后，美国和日本的若干科学团队用各自的方法独立计算出了相同的结果。

未来，引力波天文学会观测到更多类似的天文事件，进一步排除质量上限计算的不确定性，帮助人类了解极端条件下的物质。包括欧洲核子中心（CERN）和德国反质子和离子研究装置(FAIR)在内的粒子加速器，将对这些计算结果进行模拟。

新闻推荐

人类进化之猿类诞生

人类进化起源于森林古猿，从灵长类经过漫长的进化过程一步一步发展而来。经历了猿人类、原始人类、智人类、现代类四个阶段。因现今考古学的发展，史前文明被逐步否定，考古学已经有大部分进化...