最小中子星標準出來了！物理學標準的最小中子星

中子星有多大？以前的估計數從8公里到16公里不等。法蘭克福歌德大學和FIAS的天體物理學家們現在已經成功地用一種精確的統計方法來確定最小中子星的大小在1.5公里以內，這種方法得到了引力波測量數據的支持。研究人員的報告發表在最近一期的《物理評論快報》上。中子星是宇宙中密度最大的天體，其質量比我們的太陽還要大，它被壓縮成一個相對較小的球體，其直徑與法蘭克福城相當。然而這只是一個粗略的估計。40多年來確定中子星的大小一直是核物理學界的一個聖杯，其解決方案將提供關於核密度下物質基本行為的重要信息。

典型中子星的大小範圍，圖片：Lukas Weih, Goethe University, satellite image: GeoBasis-DE/BKG (2009) Google

來自合併中子星的引力波探測數據(GW170817)對解決這一難題做出了重要貢獻。在2017年底,盧西亞諾Rezzolla教授,法蘭克福歌德大學理論物理研究所和fia,連同他的學生最以利亞和盧卡斯Weih已經利用這些數據來回答一個長期存在的問題對中子星的最大質量可以支持崩潰之前黑色幽谷結果也證實。在第一個重要的結果之後，同樣的團隊在於爾根·謝弗納-比利奇教授的幫助下，致力於對中子星的大小設置更嚴格的限制。問題的關鍵在於描述中子星內物質的狀態方程是未知的。因此物理學家們決定走另一條路：他們選擇統計方法，在狹窄的範圍內確定中子星的大小。

為了設定新的極限，他們通過求解描述相對論恆星平衡的愛因斯坦方程，計算出了超過20億個中子星理論模型，並將這個大數據集與GW170817引力波探測的約束結合起來。這種方法在理論物理學中並不少見，通過對所有可能的參數值的研究，可以有效地減少不確定性。因此研究人員能夠確定一個典型的中子星的半徑在1.5公里以內:它位於12公里到13.5公里之間，這個結果可以通過未來的引力波探測得到進一步的改善。然而這一切都有一個轉折，因為中子星可以有雙解。事實上在超高密度下，物質的性質可能會發生巨大的變化，並經歷所謂的「相變」。

這與水在從液體轉變為固態時發生的情況類似。在中子星的例子中，這種轉變被推測為將普通物質轉變成「夸克物質」，產生的恆星質量將與它們的中子星「雙星」完全相同，但它將更小，因而更緊湊。雖然沒有確切的證據證明它們的存在，但它們是合理的解決方案，法蘭克福的研究人員考慮到了這種可能性，儘管雙星帶來了額外的複雜性。這種努力最終得到了回報，因為他們的計算揭示了一個意想不到的結果：雙星在統計上是罕見的，在兩顆雙星合併的過程中不會有太大的變形。這是一個重要的發現，因為它使科學家們有可能排除這些非常緊湊的物體的存在。因此未來的重力波觀測將揭示中子星是否有奇異的雙生子。

博科園-科學科普｜參考期刊：物理評論快報｜來自：歌德大學法蘭克福

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