天體物理學家發現一種探測中子星內部結構的新方法


英國巴斯大學(University of Bath)的天體物理學家發現一種探測中子星內部結構的新方法,從而為核物理學家(nuclear physicist)提供新穎的工具來研究原子級的物質結構。

中子星是已經死亡的恆星在重力作用下壓縮到只有一個小城市的大小。它們包含宇宙中最極端的物質,意味著它們是存在最稠密的天體(作為比較,如果地球壓縮到中子星的密度,那麼它的直徑只有幾百米,所有人類都可以放入一茶匙上)。這使到中子星成為核物理學家的獨特自然實驗室,他們對結合亞原子粒子力的理解僅限於與地球相連的原子核上工作。研究這種力在更極端條件下的行為方式,可以加深他們對核物理的認識。

研究團隊通過共振現象發現:當以自然頻率對物體施加力時,就會產生共振,從而產生大的,通常是災難性的振動運動。當歌劇歌手通過與玻璃振動模式相匹配的頻率大聲唱歌,來震碎玻璃時,就是共振的例子。

當一對中子星達到共振狀態時,它們的固體外殼(相信比鋼強一百億倍)會碎裂。這導致釋放出可以由衛星偵測到的明亮伽馬射線爆發(稱為:共振碎光 Resonant Shattering Flare)。呈螺旋狀的恆星還釋放出重力波,這些重力波可以由地球上的儀器檢測到。研究人員發現,通過測量共振碎光和重力波訊號,他們可以計算出中子星的對稱能量。

對稱能量是核物質的特性之一。它控制組成原子核的亞原子粒子(質子和中子)的比例,以及在中子星中發現的極端密度時該比例如何變化。因此,對於對稱能量的讀數將有助證明中子星的組成,進而擴展為所有質子和中子耦合過程以及決定所有物質結構的力。

研究人員強調,通過結合使用伽馬射線和重力波研究中子星共振而獲得的測量結果,將是對核物理學家在實驗室進行實驗的補充,而不是替代。

巴斯大學天體物理學家曾大衛(David Tsang 譯音)博士指出,通過研究中子星,以及這些大質量物體的最終運動,我們能夠了解微細核裡組成極緻密物質在規模上的巨大差異。

負責這項研究的天體物理學博士生鄧肯·尼爾(Duncan Neill)補充說:「我喜歡這項工作在於核物理學家正在研究的同一事物。他們著眼於微小的粒子,而我們的天體物理學家則著眼於數百萬光年之外的天體和事件。我們正以完全不同的方式看待同一件事。」

德州農工大學商學院(Texas A&M University-Commerce)天體物理學家威爾·牛頓(Will Newton)博士說:「雖然知道將夸克(quark)束縛到中子和質子中的力,但是當大量中子和質子聚集在一起時,它的實際作用還不是很清楚。實驗性核物理數據有助於尋求更好的理解,但是我們在地球上探測的所有核物理都具有相似數量的中子和質子,它們以大致相同的密度結合在一起。在中子星中,自然為我們提供了一個探索核物理學完全不同的環境:主要由中子組成的物質,其密度範圍很廣,最高可達原子核密度的十倍。今次的研究展示如何可以從數億光年距離測量出這種物質的某種對稱能量特性。可以解釋清楚核的基本工作原理。」

【圖、文:節譯自英國巴斯大學2021年4月1日新聞公佈】研究全文刊登在2021年3月26日出版的英國《皇家天文學會月報》

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