新工具利用引力波窺視中子星內部

想象一下，將一顆質量爲太陽兩倍的恆星壓扁到曼哈頓的大小，其結果將是一顆中子星--宇宙中任何地方發現的最密集的天體。事實上，它們的密度超過了在地球上自然發現的任何物質的幾十萬億倍。

儘管中子星本身就是了不起的天體物理學物體，但它們的極端密度也可能使它們成爲研究核物理學基本問題的實驗室，而這些條件在地球上是無法再現的。

由於這些奇特的條件，科學家們仍不瞭解中子星本身到底是由什麼構成的，即所謂的“狀態方程(EoS)”。確定這一點是現代天體物理學研究的一個主要目標。高級研究學院(IAS)的一對學者已經發現了這一難題的一個新部分，這部分制約了可能性的範圍。

理想情況下，天體物理學家希望能看到這些奇異天體的內部，但它們太小太遠，無法用標準望遠鏡成像。研究人員轉而依靠他們可以測量的間接屬性--如中子星的質量和半徑--來計算EoS。這很像人們使用直角三角形兩邊的長度來計算其斜邊。然而這裡的一個問題是，中子星的半徑是很難精確測量的。對未來的觀測來說，一個有希望的替代方法是用一個叫做“峰值頻譜"（或f2）”的量來代替它。

但f2是如何測量的呢？受愛因斯坦相對論定律支配的中子星之間的碰撞會導致強烈的引力波發射爆發。2017年，科學家首次直接測量了這種發射。“至少在原則上，可以從兩顆合併的中子星的晃動殘餘物所發射的引力波信號中計算出峰值頻譜，”Elias Most說道。

以前人們預計f2將是半徑的合理替代物，因爲--直到現在--研究人員認爲它們之間存在着直接的或“準普遍的”對應關係。然而，Carolyn Raithel和Most已經證明，這並不總是真的。他們已經表明，確定EoS並不像解決一個簡單的斜邊問題。相反，它更類似於計算一個不規則三角形的最長邊，其中還需要第三個信息：兩條短邊之間的角度。對於Raithel和Most來說，這第三條信息是“質量-半徑關係的斜率”，跟半徑相比，它編碼了更高密度（因此是更極端條件）下的EoS信息。

這項新發現將使跟下一代引力波觀測站合作的研究人員能更好地利用中子星合併後獲得的數據。據Raithel介紹稱，這些數據可以揭示出中子星物質的基本成分。“一些理論預測表明，在中子星核心內，相變可能正在將中子溶解爲稱爲夸克的亞原子粒子，”Raithel說道，“這將意味着這些恆星在其內部含有一片自由夸克物質的海洋。我們的工作可能有助於明天的研究人員確定這種相變是否真的發生。”