新工具利用引力波窥视中子星内部

想象一下，将一颗质量为太阳两倍的恒星压扁到曼哈顿的大小，其结果将是一颗中子星--宇宙中任何地方发现的最密集的天体。事实上，它们的密度超过了在地球上自然发现的任何物质的几十万亿倍。

尽管中子星本身就是了不起的天体物理学物体，但它们的极端密度也可能使它们成为研究核物理学基本问题的实验室，而这些条件在地球上是无法再现的。

由于这些奇特的条件，科学家们仍不了解中子星本身到底是由什么构成的，即所谓的“状态方程(EoS)”。确定这一点是现代天体物理学研究的一个主要目标。高级研究学院(IAS)的一对学者已经发现了这一难题的一个新部分，这部分制约了可能性的范围。

理想情况下，天体物理学家希望能看到这些奇异天体的内部，但它们太小太远，无法用标准望远镜成像。研究人员转而依靠他们可以测量的间接属性--如中子星的质量和半径--来计算EoS。这很像人们使用直角三角形两边的长度来计算其斜边。然而这里的一个问题是，中子星的半径是很难精确测量的。对未来的观测来说，一个有希望的替代方法是用一个叫做“峰值频谱"（或f2）”的量来代替它。

但f2是如何测量的呢？受爱因斯坦相对论定律支配的中子星之间的碰撞会导致强烈的引力波发射爆发。2017年，科学家首次直接测量了这种发射。“至少在原则上，可以从两颗合并的中子星的晃动残余物所发射的引力波信号中计算出峰值频谱，”Elias Most说道。

以前人们预计f2将是半径的合理替代物，因为--直到现在--研究人员认为它们之间存在着直接的或“准普遍的”对应关系。然而，Carolyn Raithel和Most已经证明，这并不总是真的。他们已经表明，确定EoS并不像解决一个简单的斜边问题。相反，它更类似于计算一个不规则三角形的最长边，其中还需要第三个信息：两条短边之间的角度。对于Raithel和Most来说，这第三条信息是“质量-半径关系的斜率”，跟半径相比，它编码了更高密度（因此是更极端条件）下的EoS信息。

这项新发现将使跟下一代引力波观测站合作的研究人员能更好地利用中子星合并后获得的数据。据Raithel介绍称，这些数据可以揭示出中子星物质的基本成分。“一些理论预测表明，在中子星核心内，相变可能正在将中子溶解为称为夸克的亚原子粒子，”Raithel说道，“这将意味着这些恒星在其内部含有一片自由夸克物质的海洋。我们的工作可能有助于明天的研究人员确定这种相变是否真的发生。”