@ 2017.07.25 , 23:00

中子星可以作为深空旅行的GPS

NASA的中子星内部构成探测器(NICER)是一个X射线望远镜,今年6月上旬已装载在SpaceX Falcon9火箭上发射了。7月中旬安装在国际空间站上之后,将开始其科学研究,即研究名为中子星的奇异天体对象,看中子星能否作为未来太空飞船深空导航的信标。

什么是中子星?当质量至少是太阳的8倍的恒星通过热核融合反应耗尽所有核心燃料时,引力导致坍缩。引发的超新星爆发将大部分物质都喷射到太空远处,剩下的就形成中子星或者黑洞。

中子星可以作为深空旅行的GPS
credit: 123RF

我研究中子星,因为他们具有丰富多样的天体物理现象,与众多物理领域都有关联。中子星最有意思的一点是每个恒星都大约是太阳质量的1.5倍,但直径仅为25千米,也就是一个城市的大小。当你把这么大的质量塞进这么小的空间内,物质就会比原子核还要稠密。所以,氦原子的原子核只有两个中子和两个质子,而中子星基本上就是一个由10^57中子和10^56质子组成的单个原子核。

地球上不可能出现的奇特物理

我们能利用中子星探讨核物理中无法在地球实验室中研究的一些性质。例如,目前某些理论预测奇特的物质粒子,比如超子和解禁夸克,能出现在高密度的中子星上。理论还表明,在10亿摄氏度的条件下,中子星中的质子会变成超导体,不带电的中子则变成超流体。

中子星的磁场也很强,或者是宇宙中最强的,是任何在实验室中制造出来的数十亿倍。虽然中子星表面的引力不如黑洞,但仍会引起重大的时空变形,也可以成为引力波的源头。

NICER的重点在于准确测量几个中子星的质量和半径。虽然这个望远镜也会观测到其他类型的天体,我们这些研究中子星的也希望NICER能为我们提供关于这些迷人天体和它们物理学的独特知识。NICER将测量中子星的亮度是如何根据其能量变化的,以及随着中子星旋转是如何变化的。这些观测将会与基于中子星质量和半径等性质的理论模型相比较。质量和半径的准确测定将为核理论提供至为关键的测试。

深空GPS

中子星的另一个可能对于未来太空旅行至关重要的方面在于其旋转,NICER将对此进行测试。旋转中子星,也被称为脉冲星,放射出类似于灯塔的辐射束,自旋速度为716转/s。某些中子星的这一旋转速率甚至比地球上现有的最好原子钟还要稳定。事实上,正是中子星的这一特性引导我们在1992年首次发现了太阳系外行星,三个围绕中子星运行的地球大小的行星。

NICER任务使用了部分名为SEXTANT望远镜,将测试中子星旋转的非凡规律性和稳定性能否被用于深空中的导航信标网络。这样中子星就可作为天然卫星,形成银河系(而不是全球)定位系统,可以为未来无人和有人太空飞船在恒星之间导航所用。

NICER将会运作18个月,但希望NASA能在此之后继续支持其工作,特别是如果它能够实现其远大的科学目标。我也这么希望的,因为NICER结合并极大提升了先前X射线飞船的宝贵能力——RXTE、Chandra以及XMM-Newton。这些飞船被用于揭示中子星的秘密和基本物理学性质。

第一个中子星,一个脉冲星,是由Jocelyn Bell Burnell在1967年发现的。值此50周年之际,获得中子星方面的重大突破正合时宜。

本文译自 conversation,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。Wynn Ho(南安普顿大学)


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