大多数中子星的质量可达太阳的2倍,但直径仅22千米,这意味着黑洞可以将其整个吞下。
中子星的艺术概念图
中子星是大质量恒星超新星爆发的产物。它们极其致密:一勺中子星物质放在地球上的重量和整个珠穆朗玛峰相当,而一勺太阳物质却只有2.3千克。虽然对中子星的质量范围已有了很好的认识,但要精准测定它们的直径则难得多。大多数天文学家认为中子星的直径与一个城市相当。
最近,利用引力波测量和其他技术,一项新的研究对中子星的大小给出了迄今最佳的限制:一颗典型中子星的直径约为22千米。这个意味着,当中子星和宇宙中神秘的黑洞靠得太近时,在很多情况下黑洞可以整个将其吞下,几乎不留下任何能被传统天文望远镜探测到的痕迹。
中子星如何形成?
大质量恒星耗尽其核聚变气体时,会发生爆发。一部分物质会被猛烈地向外炸出,剩下的物质则会坍缩成为一颗中子星。如果恒星的质量足够大,剩下的物质会进一步坍缩成黑洞。
像太阳这样的单颗星在宇宙中很少见,大多数恒星都位于多星系统中。当双星系统中的两颗大质量恒星一同演化时,它们最终可能形成两颗中子星、两个黑洞、或一颗中子星和一个黑洞。近些年,通过这些天体并合时发出的引力波,已探测到了这些双星系统。现在使用这种方法,天文学家精准测量了中子星的直径。
2017年,美国的激光干涉引力波天文台和意大利的室女座引力波天文台探测到1.2亿光年外的两颗中子星并合的引力波信号。不久,在电磁波段也观测到了这次中子星并合。这些探测提供了关于中子星质量和自转的重要信息。
中子星的大小
尽管不能在地球上重现中子星内部极端致密的环境,但天文学家把这些观测和中子星内部亚原子粒子的模型相结合,计算外推了中子星内部的情况。
结果显示中子星的直径必定在21~24千米之间,一颗典型中子星的大小应该在22千米左右。相较之前的研究,这一结果将中子星大小的不确定性减小一半。
中子星含有可见宇宙中最致密的物质,可以将其想象为一个城市大小的原子核。通过对中子星性质的测量,可以了解到亚原子尺度的基本物理学。
被黑洞吞并
天文学家一直渴望能观测到黑洞和中子星之间的并合事件,认为它会发出强烈的电磁辐射,能被地球上天文望远镜观测到。
然而,根据这项新的研究,在几乎所有的情况下,中子星都不会被撕裂瓦解,而是会被黑洞整个吞下。中子星没有被瓦解,就不会发出电磁辐射,望远镜也就不能探测到它。与此同时,引力波探测也无法区分这是中子星和黑洞的合并、还是两个黑洞间的并合事件。
只有当黑洞非常小或者自转很快时,才能在吞并中子星之前将其撕裂,也只有这样才能观测到除引力波之外的其他现象。
未来,引力波探测器会变得越来越精良,应该不用等太久就能检验这个结论正确与否。如果观测到的中子星与黑洞并合事件比少于预期,那这可能就是背后的原因。