發現質量大到幾乎不可能存在的中子星


天文學家透過位在美國西維珍尼亞州的綠堤射電望遠鏡(Robert C. Byrd Green Bank Telescope)發現一顆至今已知質量最大的中子星,這是一顆自轉速度極快的脈衝星(pulsar),距離地球約四千六百光年遠。這顆打破歷史紀錄的中子星,質量幾乎達到理論預測中子星質量上限,這是最讓天文學家矚目的一點。

中子星基本上是大質量恆星生命末期經歷超新星爆炸後,殘餘核心被壓縮而成,是已知宇宙中最稠密的正常天體。(理論上黑洞密度應該更大,但它已不算正常天體範圍。)在中子星上,一顆方糖大小的中子星物質重量相當於地球上的一億噸重,或相當於地球上全人類的總重量。雖然天文學家和物理學家致力研究這些天體,但了解依然不夠。例如:中子星破裂後會變成「超流體」,能自由流動嗎?碎裂後的中子星會變成一團次原子夸克還是甚麼怪異粒子?讓重力贏得最後勝利,使中子星變成黑洞的質量臨界點是什麼?

脈衝星是快速自轉中子星2磁極向外發射出電波束,隨中子星自轉而掃過宇宙空間,如同燈塔一般。有些脈衝星自轉速度快到每秒自轉數百次,即是所謂的豪秒脈衝星。這樣的脈衝星因為自轉速度極快且固定,天文學家能利用它們做為測時用的「宇宙鐘」,並可協助天文學家研究時空性質,測量天體質量,以及增進對廣義相對論的瞭解。

J0740+6620和一顆白矮星是一對雙星系統,軌道面幾乎側向地球,天文學家可從這種食雙星的互食周期和亮度變化等訊息,估算出兩星的精確質量。當中子星從白矮星後方通過時,會因白矮星重力場造成附近時空彎曲之故,中子星發出的光得多繞點路,使脈衝星的脈衝電波訊號抵達地球時間有個約千萬分之一秒的微小延遲,這種現象稱為「夏皮羅時間延遲效應(Shapiro [time] delay)」。天文學家能利用這個微小延遲計算白矮星的質量。一旦繞著中子星的伴星質量確認後,就可以反過來確認食雙星中的中子星J0740+6620的精確質量。

【圖:美國國家射電天文台;文:節錄自台北市立天文科學教育館網頁】

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