一探究竟。中子星內部是什麼？

簡介：中子星是恆星演化到末期，經重力崩潰後形成的除黑洞以外密度最大的物體。可以透過在太空中觀測中子星，觀察X射線的發射來推斷其半徑，從而推斷出其內部物質。

一顆恆星在超新星內部死亡，完全就是一次災難性的事件。它留下一個密度大得難以想象的物體，叫做中子星。但是中子星裡面到底是什麼樣的呢？

圖注：藝術創作。在異星上遙望中子星。圖源：cosmosmagazine

我們能接觸到的一切都是由原子構成的。被稱為質子和中子的亞原子粒子構成了原子核，電子圍繞著它們執行。但在這個原子能級上，即使是我們世界上密度最大的物質，比如黃金、鉛和鈾，其結構中也主要是由空曠的空間所佔據。

與整個原子的大小相比，它們的原子核非常非常小，測量到電子的軌道。

現在想象一下，使勁兒擠壓一塊黃金、鈾或鉛，以至於原子核全都靠近接觸到一起了，然後你再來估算剩餘的空間。你得到的東西密度驚人，類似於一個巨大的原子核。中子星就是這樣的。能夠做到這種擠壓程度的唯一力量只有重力。

中子星形成於恆星生命末期，此時的恆星不再有足夠的燃料來防止自己崩塌。一般來說，核心持續收縮，直到原子核劇烈地融合並相互接觸。這時，產生一個反彈，整個核心反衝，並推開外層，這樣就產生了一個輝煌耀眼的超新星。剩下的，只有一個快速旋轉的煤渣核心—這是除黑洞以外，你能得到的密度最大的東西。它的密度如此之高，一茶匙這種物質，在地球上的重量就會有約10億噸。

圖注：脈衝星的示意圖。中間的球體代表中子星，曲線表示磁場線，凸出的圓錐體代表發射區。圖源：Wikipedia

物質在如此高的密度下是如何表現的呢？每個原子的原子核是分開的嗎？原子會變成一個質子、中子和電子的混合物，相互糾纏、無法區分嗎？會更進一步嗎？質子和電子會合並在一起，我們最終得到一鍋中子嗎？它們會變成一大份夸克和膠子組成的湯嗎？或者還有別的什麼？

圖注：正常狀態下的原子結構可以做成模型。高密度狀態下原子結構的狀況不為人知。圖源：GettyImages

基本上，核物理界並不知道在這種密度下會發生什麼事。這個問題可以歸結為一個叫做“f”態的方程，這是一個描述物質在一個基本層面上的性質的術語，它與密度和壓力有關。

如果恆星有一個硬核——一個固定的狀態方程式——你就會有一個更大的恆星，半徑更大。如果你有一個非固定的狀態方程式，中子放棄它們的應有狀態，形成一份夸克湯，你就會有一個柔軟的、粘糊糊的核心和更小的半徑。所以，如果我們能測量出恆星的半徑，我們就會知道它的內部構成是怎樣的。但我們不能直接測量。人們認為這些恆星的半徑只在10-15公里之間——相當於一座城市的大小——遠遠小於哈勃望遠鏡能夠觀測併成像的範圍。所以測量必須以間接的方式進行。