據外媒報導，爆炸的大質量恆星的緻密殘餘物–中子星“心臟”中的物質採用了我們能測量的最極端形式。現在，得益於美國宇航局的中子星內部組成探測器（NICER）–國際空間站上的X射線望遠鏡–提供的數據，科學家們發現，這種神秘的物質比一些物理學家預測的更不容易被擠壓。

這一發現是基於NICER對PSR J0740+6620(簡稱J0740)的觀測，它是已知最巨大的中子星，位於3600多光年外的北天星座鹿豹座（Camelopardalis）。J0740處於一個具有白矮星的雙星系統中，每秒自轉346次。之前的觀測結果顯示，這顆中子星的質量約為太陽的2.1倍。

“我們被正常的物質所包圍，這是我們日常經驗的東西，但我們對物質在極端條件下的行為，以及它是如何轉變的有很多不知道，”美國宇航局戈達德太空飛行中心的NICER科學負責人Zaven Arzoumanian說。”通過用NICER測量中子星的大小和質量，我們正在探索即將內爆成黑洞的物質。一旦發生這種情況，我們就無法再研究物質，因為它被黑洞的事件視界所掩蓋。”

Arzoumanian和NICER團隊的成員於4月17日在美國物理學會的一次虛擬會議上展示了他們的發現，描述這些發現及其意義的論文現在正在進行科學審查。

在它生命的最後，一顆比太陽重很多倍的恆星，在它的核心燃料耗盡，在它自身的重量下坍塌，並爆發成一顆超新星。這些爆炸的恆星中最重的會留下黑洞。較輕的恆星誕生了中子星，它的質量比太陽還要大，形成一個球體，其寬度約為紐約市曼哈頓島的長度。

科學家認為中子星是分層的。在表面，氫原子或氦原子的薄層大氣層停留在由較重原子組成的固體外殼上。在地殼中，壓力的迅速增加使電子從原子核中剝離出來。在更深處，在外核，原子核分裂成中子和質子。巨大的壓力將質子和電子擠壓在一起，形成了一個主要由中子組成的海洋，最終以兩倍於原子核的密度擠在一起。

但物質在內核中是以什麼形式存在的呢？自從1934年沃爾特-巴德和弗里茨-茨威基提出中子星的存在以來，物理學家一直在問這個問題。為了回答這個問題，天文學家需要精確測量這些物體的大小和質量。這使他們能夠計算出恆星內核中壓力和密度之間的關係，並評估物質的最終可擠壓性。

在典型中子星的傳統模型中，一顆質量約為太陽質量的1.4倍的中子星，物理學家預計內核中大部分充滿了中子。較低的密度確保了中子保持足夠遠的距離，從而保持完整，這種內部剛度導致了更大的恆星。

在像J0740這樣質量更大的中子星中，內核的密度要高得多，將中子壓得更近。目前還不清楚中子是否能在這種條件下保持完整，或者它們反而分解成夸克。理論家們懷疑它們會在壓力下碎裂，但關於細節的許多問題仍然存在。為了得到答案，科學家們需要對一顆巨大的中子星進行精確的尺寸測量。一顆較小的恆星將有利於夸克在最內層“自由漫遊”的情景，因為較細小的粒子可以更緊密地聚集在一起。更大的恆星將表明存在更複雜形式的物質。

為了獲得所需的精確測量結果，NICER觀測被稱為脈衝星的快速旋轉的中子星，這些脈衝星是由Jocelyn Bell Burnell在1967年發現的。在這些天體的表面形成了明亮的、發出X射線的熱點。當脈衝星旋轉時，它們的熱點就像燈塔的光束一樣在視野中旋轉，產生有規律的X射線亮度變化。

但脈衝星的密度也很大，它們的引力會使附近的時空發生扭曲，就像保齡球放在蹦床上一樣。這種扭曲足夠強烈，它導致來自恆星遠方的光–我們原本無法探測到的光–被重新定向到我們這裡，這使得脈衝星看起來比實際情況更大。同樣的質量在較小的包裹中會產生更大的失真。這種效應可能非常強烈，以至於當熱點圍繞脈衝星旋轉時，它可能會阻止它們完全消失。

科學家們可以利用這些效應，因為NICER將每條X射線的到達時間測量到優於100納秒。通過跟踪脈衝星的X射線亮度如何隨著它的旋轉而變化，科學家可以重建它對時空的扭曲程度。由於他們知道它的質量，他們可以將這種扭曲轉化為尺寸。

兩個團隊使用不同的方法來模擬J0740的大小。由阿姆斯特丹大學的博士後研究員Thomas Riley和天體物理學教授Anna Watts和天體物理學教授領導的一個小組估計，這顆脈衝星的直徑約為15.4英里（24.8公里）。馬里蘭大學學院帕克分校天文學教授Cole Miller領導的團隊發現J0740的寬度約為17英里（27.4公里）。兩項結果在其不確定度範圍內有很大的重疊，分別為14.2至17英里（22.8至27.4公里）和15.2至20.2英里（24.4至32.6公里）。

除了NICER數據外，兩組數據還包括來自歐洲航天局XMM-Newton衛星的X射線觀測數據，這些數據有助於計算背景噪聲。J0740的質量此前是由北美納赫茲引力波天文台和加拿大氫強度測繪實驗合作的科學家通過無線電測量確定的。

2019年，Riley和Miller的團隊使用NICER數據來估計脈衝星J0030+0451（或J0030）的大小和質量。他們確定該天體的質量約為太陽質量的1.4倍，直徑為16英里（26公里）。

“我們對J0740的新測量結果顯示，即使它的質量比J0030大了近50%，但它的大小基本上是一樣的，” Watts說。”這對中子星核心的一些更可擠壓的模型提出了挑戰，包括內部只是夸克海的版本。J0740的大小和質量也給一些只包含中子和質子的不那麼可擠壓的模型帶來了問題。”

最近的理論模型提出了一些替代方案，比如內部核心包含中子、質子和夸克組成的外來物質或夸克的新組合的混合體。但所有的可能性都需要結合NICER的這些新信息進行重新評估。

“J0740的大小讓我們理論家感到困惑和興奮，”華盛頓大學物理學教授Sanjay Reddy說，他研究極端條件下的物質，但沒有參與這一發現。”NICER的測量結果，結合其他多物質觀測，似乎支持了這樣的觀點，即壓力在大規模中子星核心中迅速增加。雖然這不利於在核心中向更多的可擠壓形式的物質過渡，但其意義還沒有完全理解。”

Miller的團隊還確定了科學家對脈衝星大小的估計能力，利用NICER的J0740和J0030測量結果來補充來自其他重脈衝星和引力波事件的現有信息，引力波事件是由中子星和黑洞等巨大物體碰撞產生的時空漣漪。

“我們現在知道了一顆標準中子星的半徑，其質量是太陽的1.4倍，不確定性在5%以內，”Miller說。”這就像知道華盛頓特區的大小，大約在四分之一英里之內。NICER不僅改寫了關於中子星的教科書，還徹底改變了我們對非常遙遠和非常小的物體測量的信心。”

除了測試物質的極限，中子星還提供了探索太空廣闊領域的新手段。2018年，一個由科學家和美國宇航局工程師組成的團隊利用NICER首次展示了利用脈衝星在太空中進行完全自主導航，這可能會徹底改變我們駕駛機器人航天器前往太陽系遠方和更遠的地方的能力。

NASA宇航員Christina Koch說：“NICER是一位偉大的伙伴。”她在2019年3月至2020年2月擔任空間站的飛行工程師，創造了女性單次太空飛行時間最長的記錄。”這項任務體現了空間站研究的所有最佳方面。它是突破性的基礎科學、空間科學和技術創新，所有這些都是通過軌道實驗室的獨特環境和平台實現的。”

NICER是NASA “探索者”計劃中的一個天體物理學機遇任務，它利用太陽物理學和天體物理學科學領域內創新、精簡和高效的管理方法，為來自太空的世界級科學調查提供頻繁的飛行機會。NASA的空間技術任務局支持該任務的SEXTANT部分，展示基於脈衝星的航天器導航。