中子星的最大質量是多少？2.16個太陽！

法蘭克福大學的天體物理學家為中子星的最大質量設定了一個新的極限:它們不能超過2.16倍太陽質量。

自從20世紀60年代中子星被發現以來，科學家們一直在尋找一個重要的問題:中子星到底能變成多重?與黑洞形成相對比的是，這些「恆星」不能任意地增加質量，在一定的限度內，自然界中沒有任何力量可以對抗它們產生的巨大的引力。法蘭克福大學的天體物理學家們第一次成功地計算出了中子星質量的嚴格準確的上限。

中子星半徑約為12公里，質量是太陽的兩倍，是宇宙中密度最大的天體之一，產生的引力場與黑洞相當。雖然大多數中子星的質量約為太陽的1.4倍，但也有大量的例子，如脈衝星PSR J0348+0432（天體編號）這顆中子星就具有兩倍多的太陽質量。

中子星合併時引力波的發射。圖片來源:法蘭克福大學

這些恆星的密度是巨大的，彷彿整個喜馬拉雅山都被壓縮成一個啤酒杯大小。然而，有跡象表明，如果給一個達到最大質量的中子星多加上一個中子，那麼這個中子星會坍縮成一個黑洞而不復存在。

教授盧西亞諾，是物理學家，是法蘭克福高等研究院高級研究員和法蘭克福大學的理論天體物理學教授，與他的學生伊萊亞斯和盧卡斯一起，現在已經解決了40年來一直沒有答案的問題:非旋轉中子星的最大質量不能超過2.16倍太陽質量。

這一結果的基礎是幾年前在法蘭克福開發的「普遍關係」方法。「宇宙關係」的存在意味著幾乎所有的中子星「看起來都一樣」，這意味著它們的性質可以用無因次量（是指沒有單位的物理量）來表示。研究人員將這些「普遍關係」與有關引力波信號的數據和隨後在LIGO（引力波觀測實驗室）實驗框架中觀測到的兩顆合併中子星的電磁輻射結合在一起。這極大地簡化了計算，因為它使它們獨立於狀態方程。這個方程是描述恆星內部緻密物質的理論模型，它提供恆星內部不同深度的成分信息。因此，這種普遍關係在確定中子星的最大質量方面起了重要作用。

這是理論與實驗研究相互作用的一個很好的例子。理論研究的美妙之處在於它可以預測。然而，理論迫切需要實驗來驗證排除一些不確定因素。「因此，觀察到數百萬光年之外的一種二元中子星的合併，以及通過我們的理論研究發現的普遍關係，讓我們解開了一個過去曾有過如此多的猜測的謎題，這是非常了不起的。」

研究結果發表在《天體物理學雜誌》上。就在幾天後，來自美國和日本的研究小組證實了這一發現，儘管他們採取了相對不同的獨立的方法來驗證。

引力波天文學預計在不久的將來會觀測到更多這樣的事件，無論是在引力波信號方面，還是在更傳統的頻率偵測範圍內。這將進一步減少觀測的不確定性，並能夠更好地理解在極端條件下物質的特性。這些設想將在現代粒子加速器中模擬，例如在瑞士的歐洲核子研究中心或德國的反質子和離子研究加速器將成為關鍵設施。

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