臺北市立天文科學教育館

為了了解中子星尚無法解釋的特性，物理學家模擬了超過一百萬個狀態方程，而透過如此大量的模型計算後，法蘭克福大學物理學家對中子星的內部結構得出了一個結論，即根據質量的不同，其核心可以是非常堅硬或非常柔軟。

中子星是極其緻密的天體，是大質量恆星死亡後的產物。其質量和太陽相當，甚至更大，但卻不可思議地被壓縮成一個直徑與大城市相當的球體。自60多年前發現它們以來，科學家便一直試圖破解它們的結構，但至今，我們仍對中子星的內部所知甚少。由於它們的極端特性，使它們無法在地球上的實驗室中重現，因此僅能透過模型計算，模擬中子星內部的極端條件，而這也是最大的挑戰，在狀態方程的幫助下，描述密度和溫度等各種特性，試圖重建中子星從表面到內核的結構。研究團隊模擬了超過一百萬個不同的狀態方程，除了要滿足理論核物理的約束外，同時也要滿足天文觀測的結果。

在評估狀態方程時，研究團隊有一個驚人的發現，「輕」中子星（質量小於約1.7個太陽質量）似乎有柔軟的地函和堅硬的內核，而「重」中子星（質量大於約1.7個太陽質量）反而有一個堅硬的地函和一個軟核。這個結果讓我們可以直接測量中子星中心有多大的可壓縮性，如同夾心巧克力般，輕質量的類似那些中心是榛果，外圍被軟巧克力包圍的榛果巧克力；而較重的就像那些硬層包含柔軟餡料的巧克力。而探測的關鍵是聲速，聲波在物體內傳播的速度，取決於物質的軟硬程度，在地球上，聲速被用來探索地球內部和發現油礦。

透過對狀態方程的模型建立，物理學家還發現中子星其他以前無法解釋的特性，例如不管其質量為何，它們的半徑很可能都只有12公里。研究人員表示廣泛的數值研究不僅使我們能夠預測中子星的半徑和最大質量，並且還對它們在雙星系統中的形變能力設定了新的限制，即通過其重力場相互扭曲的程度，這將對未來的天文觀測、來自合併恆星重力波的探測來確定未知的狀態方程變得特別重要。相關研究成果將發表於《The Astrophysical Journal Letters》期刊上。（編譯／趙瑞青）

圖說：重的中子星具有堅硬的地函和柔軟的內核，而輕中子星具有柔軟的地函和堅硬的內核，就像有不同夾心的巧克力般。圖片來源：Peter Kiefer 和 Luciano Rezzolla

資料來源：SciTechDaily