天文學家發現了一個無法分類的天體，可能是在已知物理學的邊緣發現了一種新型宇宙實體。有時，天文學家會在天空中發現一些我們無法輕易解釋的天體。在發表在《科學》雜誌上的新研究中有著這樣一個發現，它很可能會引發討論和猜測。

中子星是宇宙中密度最大的天體。它們像原子核一樣緊湊，卻又像一座城市一樣大，突破了我們對極端物質理解的極限。中子星越重，就越有可能最終坍縮成為密度更大的物體：黑洞。

假定大質量伴星是一個黑洞，該系統的藝術印象圖。最亮的背景恆星是它的軌道伴星–電波脈衝星PSR J0514-4002E。兩顆恆星相距800 萬公里，每7 天繞對方一週。圖片來源：Daniëlle Futselaar (artsource.nl)

這些天體的密度如此之大，引力如此之強，以至於它們的核心–無論它們是什麼–都被事件視界永久地遮蔽在宇宙之外：完全黑暗的表面，光線無法從中逃脫。

如果我們要了解中子星和黑洞之間臨界點的物理學，就必須找到處於這一邊界的天體。特別是，我們必須找到可以進行長時間精確測量的天體。而這正是我們所發現的–一個既不明顯是中子星也不明顯是黑洞的天體。

哈伯太空望遠鏡拍攝的球狀星團NGC 1851 的影像。圖片來源：NASA、ESA 和G. Piotto（帕多瓦大學）；處理：Gladys Kober（NASA/美國天主教大學）：Gladys Kober（美國國家航空暨太空總署/美國天主教大學）

當天文學家在星團NGC 1851的深處觀察時，發現了一對特別的系統，這為我們了解宇宙中的極端物質提供了新的視角。這個系統由一顆毫秒脈衝星（一種快速旋轉的中子星，它在旋轉過程中會向整個宇宙發出無線電光束）和一個性質不明的巨大隱藏物體組成。

這個大質量天體是暗的，也就是說，從無線電到光學、X 射線和伽馬射線波段，所有頻率的光都看不到它。在其他情況下，這將使它無法被研究，但就在這裡，毫秒脈衝星為我們提供了幫助。

毫秒脈衝星類似宇宙原子鐘。它們的自旋非常穩定，可以透過探測它們產生的規律的無線電脈衝進行精確測量。雖然脈衝星本質上是穩定的，但當脈衝星運動或其訊號受到強引力場影響時，觀測到的自旋會改變。透過觀察這些變化，我們可以測量與脈衝星在軌道上運行的天體的特性。

研究團隊使用了位於南非卡魯半沙漠的MeerKAT 射電望遠鏡。圖片來源：SARAO

國際天文學家團隊一直在使用南非的MeerKAT 電波望遠鏡對這個被稱為NGC 1851E 的星系進行觀測。

透過這些數據，我們可以精確地了解兩個天體的軌道細節，顯示它們最接近的點會隨著時間的推移而改變。愛因斯坦的相對論描述了這種變化，而變化的速度可以告訴我們系統中天體的總質量。

觀測結果表明，NGC 1851E 系統的重量幾乎是太陽的四倍，暗伴星和脈衝星一樣，是一個緊湊的天體–比普通恆星的密度大得多。質量最大的中子星重約兩個太陽質量，因此如果這是一個雙中子星系統（眾所周知並被研究過的系統），那麼它就必須包含兩顆迄今發現的最重的中子星。

為了揭示伴星的性質，我們需要了解恆星系統中的質量是如何在恆星之間分配的。同樣利用愛因斯坦的廣義相對論，我們可以建立這個系統的詳細模型，發現伴星的質量介於太陽質量的2.09 和2.71 倍之間。

這顆伴星的質量位於”黑洞質量鴻溝”之內。 “黑洞質量鴻溝”介於最重的中子星和最輕的黑洞之間，前者被認為約為2.2個太陽質量，後者則是由恆星坍縮形成的，約為5個太陽質量。這一鴻溝中的天體的性質和形成是天文物理學中一個懸而未決的問題。

那麼，我們到底發現了什麼呢？

射電脈衝星NGC 1851E 及其奇異伴星的潛在形成歷史。資料來源：Thomas Tauris（奧爾堡大學/ MPIfR）

一個誘人的可能性是，我們發現了一顆脈衝星，它正圍繞著兩顆中子星合併（碰撞）後的殘骸運行。 NGC 1851中恆星的密集排列使得這種不尋常的構造成為可能。

在這個擁擠的恆星舞池中，恆星們將相互旋轉，在無盡的華爾滋中交換舞伴。如果兩顆中子星碰巧被拋得太近，它們的舞蹈就會以災難性的方式結束。

它們碰撞產生的黑洞可能比恆星坍縮產生的黑洞輕得多，因此黑洞可以在星團中自由遊蕩，直到找到華爾茲舞中的另一對舞者，然後毫不客氣地插入其中–在這一過程中將較輕的舞伴踢走。正是這種碰撞和交換機制，才有可能產生我們今天觀察到的系統。

對這個系統的研究還沒結束。我們的工作還在繼續，以便最終確定伴星的真實性質，並揭示我們發現的是最輕的黑洞還是質量最大的中子星，或者兩者都不是。

在中子星和黑洞之間的邊界，總是有可能存在一些新的、尚未為人所知的天文物理天體。

這項發現肯定會引起許多猜測，但已經明確的是，這個系統在了解宇宙中最極端環境下物質的真實情況方面有著巨大的前景。

撰稿人：

• Ewan D. Barr – 馬克斯-普朗克射電天文學研究所瞬態和脈衝星與MeerKAT (TRAPUM) 合作項目科學家
• Arunima Dutta – 馬克斯-普朗克射電天文學研究所射電天文學基礎物理研究部博士生
• 班傑明-斯塔珀斯–曼徹斯特大學天文物理學教授

改編自最初發表在《對話》上的一篇文章。

編譯來源：ScitechDaily