中子星可以作為深空旅行的GPS

NASA的中子星內部構成探測器(NICER)是一個X射線望遠鏡，今年6月上旬已裝載在SpaceX Falcon9火箭上發射了。7月中旬安裝在國際空間站上之後，將開始其科學研究，即研究名為中子星的奇異天體對象，看中子星能否作為未來太空飛船深空導航的信標。

什麼是中子星？當質量至少是太陽的8倍的恆星通過熱核融合反應耗盡所有核心燃料時，引力導致坍縮。引發的超新星爆發將大部分物質都噴射到太空遠處，剩下的就形成中子星或者黑洞。

credit: 123RF

我研究中子星，因為他們具有豐富多樣的天體物理現象，與眾多物理領域都有關聯。中子星最有意思的一點是每個恆星都大約是太陽質量的1.5倍，但直徑僅為25千米，也就是一個城市的大小。當你把這麼大的質量塞進這麼小的空間內，物質就會比原子核還要稠密。所以，氦原子的原子核只有兩個中子和兩個質子，而中子星基本上就是一個由1057中子和1056質子組成的單個原子核。

地球上不可能出現的奇特物理

我們能利用中子星探討核物理中無法在地球實驗室中研究的一些性質。例如，目前某些理論預測奇特的物質粒子，比如超子和解禁夸克，能出現在高密度的中子星上。理論還表明，在10億攝氏度的條件下，中子星中的質子會變成超導體，不帶電的中子則變成超流體。

中子星的磁場也很強，或者是宇宙中最強的，是任何在實驗室中製造出來的數十億倍。雖然中子星表面的引力不如黑洞，但仍會引起重大的時空變形，也可以成為引力波的源頭。

NICER的重點在於準確測量幾個中子星的質量和半徑。雖然這個望遠鏡也會觀測到其他類型的天體，我們這些研究中子星的也希望NICER能為我們提供關於這些迷人天體和它們物理學的獨特知識。NICER將測量中子星的亮度是如何根據其能量變化的，以及隨著中子星旋轉是如何變化的。這些觀測將會與基於中子星質量和半徑等性質的理論模型相比較。質量和半徑的準確測定將為核理論提供至為關鍵的測試。

深空GPS

中子星的另一個可能對於未來太空旅行至關重要的方面在於其旋轉，NICER將對此進行測試。旋轉中子星，也被稱為脈衝星，放射出類似於燈塔的輻射束，自旋速度為716轉/s。某些中子星的這一旋轉速率甚至比地球上現有的最好原子鐘還要穩定。事實上，正是中子星的這一特性引導我們在1992年首次發現了太陽系外行星，三個圍繞中子星運行的地球大小的行星。

NICER任務使用了部分名為SEXTANT望遠鏡，將測試中子星旋轉的非凡規律性和穩定性能否被用於深空中的導航信標網路。這樣中子星就可作為天然衛星，形成銀河系(而不是全球)定位系統，可以為未來無人和有人太空飛船在恆星之間導航所用。

NICER將會運作18個月，但希望NASA能在此之後繼續支持其工作，特別是如果它能夠實現其遠大的科學目標。我也這麼希望的，因為NICER結合併極大提升了先前X射線飛船的寶貴能力——RXTE、Chandra以及XMM-Newton。這些飛船被用於揭示中子星的秘密和基本物理學性質。

第一個中子星，一個脈衝星，是由Jocelyn Bell Burnell在1967年發現的。值此50周年之際，獲得中子星方面的重大突破正合時宜。

本文譯自 conversation，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。Wynn Ho(南安普頓大學)

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