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中子星能否比白矮星更轻?重力波天文台或将揭晓答案

2025-01-04来源:天脉网编辑:瑞雪

科学家们对中子星质量的探索再度取得新进展,这一神秘的天体引发了广泛的研究兴趣。中子星,作为宇宙中一种极端致密的天体,其质量范围一直是研究的热点。

长久以来,科学家们普遍认为中子星的质量介于1.4到2.0个太阳质量之间。这一范围的上下限都有其科学依据:上限是因为当中子星质量超过约两个太阳质量时,会塌缩成为黑洞;下限则是因为中子星依靠中子的简并压力来抵抗引力塌缩。白矮星同样依赖电子简并压力维持其结构,但其质量上限被钱德拉首次发现,并被称为“钱德拉极限”,约为1.4倍太阳质量。过去,人们普遍认为中子星的质量至少要达到这个值,但新的研究表明,这一观念并不完全准确。

实际上,在简单静力塌缩的情况下,质量低于1.4个太阳质量的天体会保持白矮星状态。然而,质量更大的恒星在耗尽燃料后,并非仅仅塌缩,而是会经历超新星爆炸这一剧烈过程。如果爆炸过程中核心被迅速压缩,就有可能形成质量低于1.4个太阳质量的中子物质。但问题在于,这种中子物质能否保持稳定。其稳定性取决于中子物质的结构,而这又由“状态方程”来描述。核心中子物质的行为由Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程式(简称TOV方程式)支配,这是一个基于特定假设参数的复杂相对论方程。根据目前的最佳观测数据,TOV方程式设置的中子星质量上限为2.17个太阳质量,下限约为1.1个太阳质量。如果将参数调整到观测允许的最极端值,下限甚至可能降至0.4个太阳质量。

为了寻找这些低质量中子星的证据,科学家们对Virgo和高端LIGO重力波天文台第三次观测运行的数据进行了深入分析。尽管这些仪器主要捕捉到的是黑洞合并事件,但它们也能够探测到中子星与中子星或中子星与黑洞伴星的合并。然而,由于这些较小质量的合并事件信号强度非常微弱,因此需要预先了解要寻找的信号类型才能进行检测。对于中子星合并来说,其特点在于中子星对潮汐变形非常敏感,这些变形会改变合并信号的“啁啾”声。而中子星越小,变形就越大。

研究团队模拟了质量低于白矮星的中子星合并时的潮汐变形,并计算了这些变形对观测到的“啁啾”信号的影响。他们在第三次观测运行的数据中寻找这类信号,尽管尚未找到小质量中子星的证据,但他们对这类合并的假设发生率设置了上限:质量不超过0.7倍太阳质量的中子星可观测合并事件每年最多不超过2000次。未来几十年,随着重力波天文台灵敏度的提升,科学家们要么会发现这些低质量中子星,要么会直接证明它们不存在。

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