珍妮特·卡兹米尔扎克，美国宇航局戈达德太空飞行中心 美国国家航空航天局的中子星内部成分探测器(更好)位于中心，是国际空间站上的一台x光望远镜
信用:NASA 中子星心脏中的物质——爆炸的大质量恒星的致密残余物——采取了我们所能测量的最极端的形式
现在，多亏了美国国家航空航天局中子星内部成分探测器(位于国际空间站的x光望远镜)的数据，科学家们发现这种神秘的物质没有一些物理学家预测的那么容易挤压
这一发现是基于更好的观测PSR J0740+6620(简称J0740)，已知最大质量的中子星，位于卡梅洛帕达利斯星座北部，距离我们3600多光年
J0740是一个双星系统，其中有一颗白矮星，它是一颗类太阳恒星的冷却残余，每秒旋转346次
先前的观测表明中子星的质量约为2
太阳的1倍
马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的科学负责人扎文·阿尔祖马尼安说:“我们被正常物质包围着，这些物质是我们日常经历中的东西，但在极端条件下，物质是如何表现的，以及它是如何转变的，还有很多我们不知道的。”
“通过用更好的仪器测量中子星的大小和质量，我们正在探索濒临内爆成黑洞的物质
一旦发生这种情况，我们就不能再研究物质了，因为它被黑洞的视界所隐藏
" 4月17日星期六，在美国物理学会的一次虚拟会议上，阿尔佐马尼亚和更好的团队成员展示了他们的发现，描述这些发现及其含义的论文现在正在接受科学审查
一颗比太阳重很多倍的恒星在其寿命结束时，其核心燃料耗尽，在自身重量的作用下坍缩，并爆发成超新星
这些爆炸恒星中最重的会留下黑洞
较轻的恒星诞生了中子星，它的质量比太阳大，形成了一个与纽约曼哈顿岛一样长的球体
科学家认为中子星是分层的
在表面，由氢或氦原子组成的稀薄大气停留在由较重原子组成的固体外壳上
在地壳中，压力的迅速增加将电子从原子核中带走
在更深处，在外核中，原子核分裂成中子和质子
巨大的压力将质子和电子挤压在一起，形成一个主要由中子组成的海洋，这些中子最终以两倍于原子核的密度聚集在一起
观看美国国家航空航天局的中子星内部成分探索者如何帮助物理学家窥视中子星的心脏，中子星是在超新星中爆炸的大质量恒星的残骸
科学家们想探索这些物体内部物质的性质，在那里，物质处于坍缩成黑洞的边缘
为了做到这一点，科学家们需要中子星质量和大小的精确测量，这也是更好和其他努力正在实现的
信用:美国宇航局戈达德太空飞行中心 但是物质在内核中采取什么形式呢？是中子一路向下，还是中子分裂成自己的组成部分，叫做夸克？ 自从1934年沃尔特·巴德和弗里茨·兹维基提出中子星的存在以来，物理学家们就一直在问这个问题
为了回答这个问题，天文学家需要精确测量这些物体的大小和质量
这使得他们能够计算恒星内核的压力和密度之间的关系，并评估物质的最终可挤压性
在典型中子星的传统模型中，一颗约有1
物理学家预计内核大部分充满中子，其质量是太阳的4倍
较低的密度确保中子保持足够远的距离以保持完整，这种内部刚性导致了更大的恒星
在像J0740这样质量更大的中子星中，内核的密度要高得多，将中子挤压得更紧
目前还不清楚中子在这些条件下是否能保持完整，或者它们是否会分解成夸克
理论家们怀疑它们在压力下会破碎，但许多关于细节的问题仍然存在
为了得到答案，科学家需要一个大质量中子星的精确尺寸测量
一颗较小的恒星会倾向于夸克在最深处自由漫游的情况，因为更小的粒子可以更紧密地聚集在一起
一颗较大的恒星会暗示存在更复杂形式的物质
为了获得所需的精确测量，更好的观测被称为脉冲星的快速旋转中子星，它是由约瑟琳·贝尔·伯奈尔在1967年发现的
这些物体的表面会形成明亮的x光辐射热点
随着脉冲星的旋转，它们的斑点像灯塔的光束一样旋转进出视野，产生有规律的x光亮度变化
但是脉冲星的密度如此之大，以至于它们的引力扭曲了附近的时空，就像一个放在蹦床上的保龄球
这种扭曲足够强烈，以至于它导致来自恒星远端的光——否则我们无法检测到的光——被重新导向我们，这使得脉冲星看起来比实际情况更大
较小包装中的相同质量会产生更大的变形
这种效应如此强烈，以至于当热点围绕脉冲星旋转时，它可能会阻止热点完全消失
科学家认为中子星是分层的
如图所示，它们内核的物质状态仍然神秘
信用:美国宇航局戈达德太空飞行中心/概念图像实验室 科学家可以利用这些效应，因为更好的测量方法是每一个x光的到达时间超过100纳秒
通过跟踪脉冲星旋转时x光亮度的变化，科学家可以重建它对时空的扭曲程度
因为他们知道它的质量，他们可以把这种扭曲转化为大小
两个团队使用不同的方法来模拟J0740的大小
由托马斯·莱利和安娜·沃茨领导的小组——分别是阿姆斯特丹大学的博士后研究员和天体物理学教授——估计脉冲星是15左右
4英里(24
8公里)
马里兰大学帕克分校的天文学教授科尔·米勒领导的团队发现J0740大约在17英里(27
4公里)宽
这两个结果在其不确定性范围内有很大的重叠，从14
2至17英里(22
8至27岁
4公里)和15
2至20
2英里(24
4至32岁
6公里)，分别为
除了更好的数据，两个小组还包括来自欧洲航天局的XMM-Newton卫星的x光观测，这有助于解释背景噪音
J0740的质量先前是由北美纳赫兹引力波天文台和加拿大氢强度绘图实验合作的科学家通过无线电测量确定的
2019年，莱利和米勒的团队使用更好的数据来估计脉冲星J0030+0451(或J0030)的大小和质量
他们确定这个物体大约是1
是太阳质量的4倍，直径16英里(26公里)
“我们对J0740的新测量显示，尽管它比J0030大50%，但它的大小基本相同，”瓦特说
“这挑战了一些更易挤压的中子星核心模型，包括内部只是一片夸克海洋的版本
J0740的尺寸和质量也给一些只包含中子和质子的不太容易挤压的模型带来了问题
" 最近的理论模型提出了一些替代方案，例如内核包含中子、质子和由夸克或新的夸克组合构成的外来物质的混合物
但是所有的可能性都需要在新信息的背景下重新评估
中子星的引力扭曲了附近的时空，就像一个放在蹦床上的保龄球
这种扭曲足够强烈，以至于它将光线从恒星的远侧转向我们，这使得恒星看起来比实际更大
荣誉:美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯(USRA/盖世太尔) 华盛顿大学物理学教授桑杰·雷迪(Sanjay Reddy)说:“J0740的大小让我们这些理论家感到困惑和兴奋。”他在极端条件下研究物质，但没有参与这项发现
“更好的测量，结合其他多种多样的观测，似乎支持了大质量中子星核心压力迅速增加的观点
虽然这不利于核心物质向更易挤压形式的转变，但其含义仍有待充分理解
" 米勒的团队还确定了科学家对脉冲星大小的估计能力，使用了更好的J0740和J0030测量来补充来自其他重脉冲星和引力波事件的现有信息，引力波事件是由中子星和黑洞等大质量物体碰撞产生的时空涟漪
“我们现在知道标准中子星的半径，用1
4倍太阳质量，误差在5%以内，”米勒说
“这就像知道华盛顿特区的大小一样
C
大约四分之一英里以内
更好的做法不仅是重写关于中子星的教科书，而且还彻底改变了我们对测量非常遥远和非常小的物体的信心
" 除了测试物质的极限，中子星还提供了探索广阔空间的新方法
2018年，一个由科学家和美国国家航空航天局工程师组成的团队首次利用NICER演示了利用脉冲星在太空中进行完全自主的导航，这可能会彻底改变我们将机器人宇宙飞船引导到太阳系以外的遥远地方的能力。
“更好的是一个伟大的队友，”美国宇航局宇航员克里斯蒂娜·科赫说，她从2019年3月到2020年2月在空间站担任飞行工程师，创造了女性最长的单次太空飞行记录
“这次任务体现了空间站研究的所有最佳方面
这是突破性的基础科学、空间科学和技术创新，都是由轨道实验室的独特环境和平台促成的
"
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