上海天文台提出X射線雙星中的中子星半徑下限

中子星是除黑洞之外密度最大的星體。大質量恆星在演化晚期以超新星爆炸的形式告別世界，殘餘的核心不斷塌縮，使得最後電子被壓縮進原子核，與質子中和成中子，使原子僅由中子構成，整顆星也因此被稱為中子星。中子星內超緻密物質的物態究竟如何，這是天體物理學家和核物理學家共同關注的問題，但地球上無法通過實驗研究和解決。過去幾十年來，他們已經提出了形形色色的理論和模型，這些理論預言通常體現為不同的中子星質量-半徑關係，期待著天文觀測的鑒別。中國科學院上海天文台天體物理研究室研究員余文飛帶領的高能觀測團隊提出了利用毫赫茲准周期振蕩給出中子星半徑下限的方法，並首次應用該方法給出一個中子星小質量X射線雙星4U1636-53中的中子星半徑大於11公里的限制。該工作為將來使用下一代X射線時變觀測衛星測量更加緊緻的中子星半徑開闢了新視角。該論文已被《天體物理學報》（ApJ）接收發表。

據余文飛介紹，X射線雙星中的中子星質量-半徑關係可以通過空間X射線天文觀測進行限制，已知主要有三種方法：（1）利用中子星的一類光球半徑膨脹熱核爆估計中子星通過吸積物質所能達到的最高光度——愛丁頓光度，從而限制中子星的質量；（2) 利用中子星小質量X射線雙星中的X射線流量上的千赫茲准周期振蕩調製信號，限制中子星質量-半徑關係；（3）利用吸積或熱核燃燒驅動的X射線毫秒脈衝星脈衝輪廓，限制中子星的質量-半徑關係。這幾種方法構成下一代X射線時變探索衛星項目有關超密物質物態的主要科學目標。

該研究工作首次提出並應用了新的測量方法。「實際上，2014年初，我們就獲得了初步結果。當時，我們發現，毫赫茲准周期振蕩脈衝主要由黑體輻射區的輻射面積變化所主導，這就為接下來的工作提供了依據——基於對脈衝輪廓的能譜測量限制輻射區大小。」論文第一作者德籍博士Holger Stiele介紹道。他曾在德國馬普地外物理所和義大利天文台從事博士前和博士後研究，於2013至2015年在上海天文台同餘文飛合作從事博士後研究，曾獲中科院國際人才計劃和基金委有關課題資助，現為台灣清華大學研究人員。

2014年初，他在余文飛的指導下開始了其第一個針對中子星雙星的X射線時變研究工作，研究對象迅速瞄準了這類毫赫茲准周期振蕩。「X射線毫赫茲准周期振蕩是我的一個心結。」余文飛說道。中子星小質量X射線雙星中的毫赫茲准周期振蕩2001年由馬普天文所博士Sunyaev的團隊發現。由於這類振蕩具有黑體譜的輻射性質，最初被懷疑是中子星表面一種特殊的核燃燒現象或者產生於某種吸積盤中的不穩定性。余文飛介紹：「很快我們發現時變觀測證據，表明該振蕩信號的X射線輻射來自吸積盤最內邊緣之內，支持這類毫赫茲准周期振蕩來自中子星表面吸積物質的核燃燒過程。」「利用歐洲XMM-NEWTON衛星的X射線觀測數據，我們把雙星4U1636-53中的中子星半徑限制在11公里以上，實際上排除了半徑小於約10公里的極軟中子星物態方程」，Stiele說。

該工作為將來使用下一代X射線時變探測衛星給出緊緻的中子星半徑下限開闢了視角。今年我國即將發射的硬X射線調製望遠鏡（HXMT）、明年上天的美國中子星內部構成探索者（NICER）、以及在研的下一代X射線時變探測天文衛星如歐洲大面積時變天文台(LOFT)或中歐合作的擴展X射線時變和偏振設備（eXTP），都可以將這種毫赫茲准周期振蕩光變現象作為研究對象之一，幫助揭開中子星物態的奧秘。據悉，余文飛團隊提出的這個科學目標將被列入中歐合作eXTP衛星「超密物質」科學白皮書內容。

在不同物態形式下的質量-半徑關係。豎線對應的是上海天文台的新工作所提出的半徑下限，根據它就可以排除一些中子星物態方程，如圖中的

[責任編輯:戰釗]

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