中子星是什么？
磁星的插图，一种中子星。(图片来源:MARK GARLICK/科学图片库via Getty Images)
据美国太空网（Robert Lea）：中子星是大质量恒星核心的残余，这些恒星已经到了生命的尽头。
它们是最大质量恒星的两个可能的进化终点之一，另一个是黑洞。密度最大的恒星物体，除了可能存在于黑洞中心的任何东西，中子星是宇宙中最极端的物体。
美国宇航局估计，在我们的银河系中有多达10亿颗中子星。迄今为止发现的大多数中子星都是年轻的中子星，当它们以令人难以置信的速度旋转时，会在地球上扫过高能辐射。经历了数十亿年的缓慢旋转和冷却的较老的中子星不太显眼，但同样迷人。
“对于中子星，我们看到了强大的引力、强大的磁场和电场以及高速的结合。它们是极端物理和条件的实验室，我们无法在地球上复制，”美国宇航局戈达德太空飞行中心大面积望远镜(LAT)科学小组成员大卫·汤普森在美国宇航局的一份声明中说。
中子星是如何形成的？
恒星的生命，无论大小，都是重力向内“推动”和光子向外推动之间的平衡行为，光子是在恒星核心进行核聚变(从轻核锻造出重原子核)时产生的。当恒星耗尽氢融合成氦时，它们就到达了核燃料燃烧生命主要序列的终点。向外的能量停止，引力胜出，导致恒星的内核向内坍塌。当这种情况发生时，恒星外壳中的核聚变继续进行，这导致这些外层“膨胀”这些脱落的外层冷却了仍在坍塌的核心，如果它足够大，将开始新一轮的核聚变，将氦锻造成更重的元素，如碳。
即使质量是太阳的10至20倍的恒星，也达到了它们可以锻造的重元素的极限(Green，Jones，2015，第251页)，通常最终形成几乎纯铁的核心。即使是这种重元素的密度也不足以阻止巨大的核心进一步坍塌。当这种情况发生时，重力压力是如此之大，以至于构成恒星核心铁原子核的带负电的电子和带正电的质子被挤压在一起，产生了大量不带电荷的中子或中性中子。
一些大质量的恒星核心在这一点上由于一种称为“中子简并压力”的量子现象而免于进一步坍塌，这种现象发生在当密度达到一定程度时，中子不再能够更紧密地聚集在一起，使它们成为中子星。
为什么形成中子星而不是黑洞？
在所有已知的太空物体中，中子星的密度最高，它可以在整个星系中发射辐射。(图片来源:信息图表艺术家卡尔·泰特)
如果中子星诞生的过程听起来很熟悉，那可能是因为这也是大质量恒星变成黑洞的路径。问题是，为什么有些恒星会诞生中子星，而有些会留下黑洞？
关键的区别似乎是坍缩的恒星核心拥有足够的质量，超过了中子简并给中子星提供的保护。目前，科学家还不确定黑洞和中子星之间的分界线在哪里。这种不确定性的存在是因为中子星内部的物理学仍然难以研究。
已知最重的中子星的质量大约相当于太阳质量的2.5倍，而已知最轻的黑洞的质量大约是太阳质量的5倍。因此，这两种死星之间存在着一个质量差距，科学家们目前正试图缩小这一差距，而一条路径和另一条路径之间的界限就在这个差距中。
研究人员目前认为，中子星和黑洞之间的分界线更接近于3倍太阳质量，而不是5倍太阳质量(Green，Jones，2015年，第251页)。
由于黑洞和中子星之间的主要区别是质量，所以中子星从双星中积累物质最终可能成为黑洞才有意义。根据国家射电天文台(NRAO)科学家Jeff Magnum的说法，质量积累的过程可能需要数百万年，但从中子星到黑洞的最终转变只需要不到一秒钟。
太阳会变成中子星(或者黑洞)吗？
虽然中子星和黑洞之间的界限模糊不清，但我们的太阳将成为的恒星残骸、白矮星和中子星之间的界限更容易理解。
当太阳在大约50亿年后达到氢供应的极限，防止重力坍缩的向外压力停止时，它的核心将会坍缩。在经历了红巨星阶段之后，太阳的外层将膨胀并吞噬包括地球在内的内部行星，太阳的核心则成为一颗闷烧的白矮星。
就像中子星被中子简并压力阻止成为黑洞一样，白矮星被电子简并压力保护免于进一步坍缩，电子简并压力阻止电子更加紧密地挤在一起。电子简并压力比它的中子当量弱得多，天体物理学家也比中子简并压力更清楚需要克服的质量。
根据SAO天文学百科全书，为了最终成为中子星，这颗白矮星必须超过钱德拉塞卡极限，通常被认为是1.4个太阳质量。这意味着太阳核心的质量是太阳总质量的1.4倍。钱德拉塞卡极限质量由苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡于1931年首次预测，迄今为止与白矮星的观测结果相符，因为我们尚未发现质量超过1.4个太阳质量的这种类型的恒星残骸。
美国宇航局估计，太阳的质量必须大10倍才能结束中子星的生命，或者它的质量必须大20倍才能在50亿年左右的时间里在太阳系的剩余部分留下一个黑洞。
中子星的大小和质量
一位艺术家描绘了一颗中子星，它包含了被挤压成一个曼哈顿大小的球的太阳质量。(图片来源:美国宇航局戈达德太空飞行中心)
要想知道诞生中子星的近乎完全的引力坍缩有多剧烈，人们只需看看它所产生的物质和它所包含的物体的尺寸。
大质量恒星核心的坍塌导致一个物体的质量是太阳的一到两倍，但宽度只有6到12英里(10到20公里)。想象一下，太阳缩小到一个球体，舒适地坐落在35英里(56公里)宽的纽约市内。
从870，000英里(140万公里)的直径缩小到仅仅12英里(20公里)，将对其内部的物质产生惊人的影响，这对中子星来说肯定是这样的。美国宇航局估计，如果被带到地球，由这种富含中子的物质组成的单个方糖将重达1万亿公斤(或10亿吨)。这是一块相当于3000个帝国大厦或整个人类重量的方糖。
根据Swinburne天体物理学和超级计算中心的说法，这使得中子星物质成为我们在宇宙中可以看到的密度最大的物质，这还有另一个影响。中子星的密度如此之大，以至于它逃离引力影响的速度是光速的一半。
因此，中子星的引力如此之强，以至于美国宇航局戈达德飞行中心表示，如果一颗棉花糖被扔到这些奇异的恒星残骸的表面，它会加速如此之快，以至于当它撞击表面时，它会释放相当于一千颗氢弹爆炸的能量。
虽然棉花糖不容易落在中子星上，但与这些极端恒星残余物形成双星伙伴关系的伴星剥离的气体经常会。当这种气体以高达每小时数百万英里的速度撞击中子星表面时，它会在X射线光中产生强大的烟花表演，每秒钟闪烁数千次，或者每隔几年才爆发一次。
中子星的密度和引力并不是唯一使它们成为宇宙中最奇特的物体的东西，它们还有一些其他的极端特征。
中子星的类型:脉冲星和磁星
中子星诞生时，角动量守恒导致它们以惊人的速度旋转。为了解释为什么会出现这种情况，想象一下一个溜冰者在旋转。当他们收缩手臂时，溜冰者的旋转速度会增加。
根据Swinburne天体物理学和超级计算中心的说法，当恒星核心的直径随着引力坍缩而缩小时，也会发生类似的事情，由此产生的年轻中子星旋转越来越快，达到每秒60转的速度。
许多中子星随着年龄的增长速度变慢，每秒钟旋转8次左右。但是，对于从双星伴星窃取恒星物质的中子星，情况就不同了。这种物质带有角动量，因此这种物质的转移实际上可以加速或“加速”中子星的旋转。这可能导致一些中子星每秒钟旋转600或700次。
记录中旋转最快的中子星是PSR J1748-2446ad，由美国国家射电天文台(NRAO)于2006年发现，位于距离地球约28000光年的球状星团中。这颗中子星每秒钟旋转716次，即716赫兹，这比厨房搅拌器的叶片还快。
像PSR J1748-2446ad这样的中子星之所以被发现，是因为当它们旋转时，它们从每个极点辐射出辐射束，包括无线电、可见光、X射线和伽马射线波长。因此，当它们转向地球时，这些辐射束在我们的星球上闪烁，使这些中子星几乎像“宇宙灯塔”，尽管它们更正式的名称是脉冲星。所有的脉冲星都是中子星，但不是所有的中子星都是脉冲星。
科学家认为，脉冲星的辐射束是在中子星的强大磁场将物质引导到它们的磁极时产生的。一些中子星的磁场本身就很特别。
当一颗恒星坍缩时，不仅仅是它的质量被压缩，它的磁场也被压缩(Green，Jones，2015，第255页)。磁场用穿过物体的曲线或磁力线来表示，这些线靠得越近，磁场就越强。恒星核心的坍塌产生了中子星，将这些磁力线推到了一起。
欧洲航天局(ESA)表示，一些中子星的磁场可以达到100万亿特斯拉，这不仅比“普通”中子星的磁场强几千倍，而且比地球的磁气圈强一千万亿倍，相当于一百万亿个冰箱磁铁，美国宇航局表示。
这使得磁星的磁场成为已知宇宙中最强烈的磁场之一，这些磁场如此强烈，以至于可以将磁星的表面温度提高到1800万华氏度(1000万摄氏度)以上。有了所有这些极端和破纪录的特征，想象一下当两个极端的恒星残骸相遇会发生什么。
两颗中子星碰撞会发生什么？
两颗中子星碰撞并合并的插图。(图片来源:罗宾·迪内尔/卡内基科学研究所)
中子星可以孤立存在，只能通过它们的表面温度来探测，或者它们可以与“普通”恒星共存，经常吸走它们的物质，或者在某些情况下，它们可以与另一颗中子星存在于双星系统中。
在这种情况下，根据爱因斯坦的广义相对论，当这些双星围绕彼此运行时，它们会在时空中产生引力波。就像落在中子星表面的物质赋予它角动量一样，当引力波从双星中子星波动开时，它们将角动量带出系统。
角动量的损失导致中子星靠得更近，在这种情况下，它们辐射出更强的引力波，增加了角动量损失的速度。
最终，这导致中子星碰撞并合并，产生一颗更大的中子星。这个猛烈的事件，一个被称为kilonova的爆炸，在长达10亿年的前奏之后，恒星残余物彼此围绕着跳舞，持续了仅仅几毫秒。基洛诺瓦释放的能量相当于太阳的数百万倍，发出强烈的空间扭曲引力波爆发和短暂但强大的伽马射线爆发，并负责锻造金、银和铂等重元素。
根据进入这个基洛诺瓦事件的中子星的大小，结果可能是一个“超大质量中子星”，由于中子简并压力，它太大了，无法保持稳定，因此在不到一秒的时间内迅速坍缩，产生黑洞。
2017年，天文学家首次观察到引力波，时空结构中的波纹，以及中子星之间碰撞发出的向外辐射的光。来自位于130光年之外的碰撞双星中子星的信号，验证了“混合信使天文学”的效用，即在传统天文学中使用的光以外的不同辐射形式中观察天文物体和事件的实践。
通过这种强大的技术组合，天文学家即将发现更多关于这些碰撞的本质，以及中子星，它们核心的极端死星。
艺术家的插图，两颗中子星相撞，产生基洛诺瓦爆炸可能锻造重元素，如金，银和金。(图片鸣谢:NASA/CXC/西北大学/A. Hajela等人；插图:美国航天局/CXC/魏斯)
中子星常见问题专家解答
我们问了西北大学天文学博士生Genevieve Schroeder一些关于中子星的常见问题，她是天体物理学跨学科探索和研究中心(CIERA)的一员，研究宇宙中一些最强大和最暴力的事件。
吉纳维芙·施罗德
天文学博士生吉纳维芙·施罗德是西北大学天文学博士生，也是天体物理学跨学科探索和研究中心(CIERA)的成员
中子星有多大？
中子星的直径约为12英里(20公里)，大约相当于一个城市的大小！我们可以通过尼斯望远镜和XMM-Newton望远镜的X射线观测来确定半径。我们知道，我们银河系中的大多数中子星的质量与我们的太阳差不多。然而，我们仍然不确定中子星的最高质量是多少。
我们知道至少有一些是太阳质量的两倍，我们认为最大质量是太阳质量的2.2到2.5倍。我们如此关注中子星的最大质量的原因是，我们非常不清楚物质在如此极端和密集的环境中是如何表现的。
因此，我们必须利用对中子星的观测，如它们确定的质量和半径，结合理论，来探索最大质量的中子星和最小质量的黑洞之间的边界。
对于像LIGO这样的引力波天文台来说，找到这个边界真的很有趣，他们已经在这个质量是太阳质量的2到5倍的“质量差距”内检测到了物体的合并。
为什么中子星在大小和质量上似乎没有超过这些极限？
中子星密度极高，质量是我们太阳的一到两倍，太阳比地球宽100倍，质量大33万倍，被推到一个城市的大小。
如果我们在那么小的空间里塞进更多的物质，重力就会胜出，整个物体就会坍缩成黑洞。所以中子星存在于这种中子互相推挤(称为中子简并压)和引力的珍贵平衡中。
中子星“活”多久？
原则上，中子星可以“永远”存在，因为它们是大质量恒星的最终状态之一，如果你愿意，可以称之为恒星尸体。然而，如果它们有一个双星伴星，像另一个中子星或黑洞，它们可能最终合并并产生一个黑洞或更大质量的中子星。
你的工作与中子星有什么关系，为什么它们如此迷人？
总的来说，我的研究集中在伽玛射线暴的射电观测上。我研究的一个方面是追踪中子星碰撞产生的伽玛射线暴。我们可以利用从无线电到X射线的观测来追踪这些爆炸产生的光，这被称为“余辉”通过对余辉进行建模，我们可以了解爆炸，这可能会导致关于合并的中子星的信息，以及合并的最终产物，预计这将是一个更大质量的中子星或黑洞。
如果合并产生一个更大质量的中子星，它将有一个非常强的磁场，被称为“磁星”这种磁星会在它旋转时激发来自合并的喷出物，这反过来会产生射电辐射，并在合并数年后达到峰值。我研究的第二个方面是寻找这个晚起的无线电信号，以确定是否有磁星产生。到目前为止，我们还没有探测到任何这些无线电发射，但没有探测到仍然有助于我们限制中子星的最大质量，这是天文学中一个主要的未解问题。
有哪些事件与中子星有关？
是什么让这些成为宇宙中最强大的事件？
超新星与中子星联系在一起，因为它们是产生它们的爆炸事件。它们如此强大是因为恒星失去了对重力的抵抗，最终爆炸了！超亮超新星被认为如此明亮是因为一颗磁星是过量辐射的能量来源。
此外，当中子星与另一颗中子星或可能的黑洞碰撞时，会发生一些伽马射线爆发！这些事件是如此强大，因为它们涉及撕裂中子星和碰撞两个非常巨大和密集的物体在一起。
一些快速射电爆发也与中子星有关，因为我们已经探测到来自我们银河系内的中子星，特别是磁星的快速射电爆发。所以总的来说，中子星在我们能观察到的众多瞬变中是相当普遍的。
