IT之家 3 月 16 日消息，據(jù) Space 報道，借助雙中子星旋向劇烈合并過程中釋放的引力波所留下的潮汐相互作用印記，我們或許很快就能“看見”中子星內(nèi)部，探明其中潛藏著的、由奇異物理規(guī)律支配的極端物質(zhì)。

該研究負(fù)責(zé)人、伊利諾伊大學(xué)的尼古拉斯 · 尤尼斯在一份聲明中表示：“我們希望能從中獲取中子星內(nèi)核密度下的物態(tài)方程相關(guān)信息。真的像一些人近期提出的那樣，存在夸克核嗎？其內(nèi)部是否發(fā)生著我們尚不了解的相變？”

中子星是大質(zhì)量恒星爆發(fā)超新星后的致密殘骸，其直徑與一座大型城市相當(dāng)，質(zhì)量卻數(shù)倍于太陽，密度極高。其內(nèi)部壓力巨大，原子被擠壓碎裂成基本粒子；帶正電的質(zhì)子與帶負(fù)電的電子被擠壓在一起，形成中性中子湯，這也是它被稱為中子星的原因。

而在更靠近中子星核心的深處，情況可能更為奇異。極端的引力壓力或許會將中子進一步粉碎，分解為構(gòu)成它的基本粒子 —— 夸克，以及通常將夸克束縛成質(zhì)子和中子的膠子。

科學(xué)家將這種物質(zhì)狀態(tài)稱為夸克-膠子等離子體。這種物質(zhì)狀態(tài)存在于宇宙大爆炸后的最初極短瞬間，除粒子加速器實驗外，宇宙中唯一可能存在夸克-膠子等離子體的地方，就是中子星內(nèi)部。

因此，若科學(xué)家能洞悉中子星內(nèi)部，就能進一步了解大爆炸后瞬間的物質(zhì)狀態(tài)。

據(jù)IT之家了解，雙中子星系統(tǒng)一直被視為破解其內(nèi)部奧秘的最佳研究對象。這類雙中子星沿橢圓軌道相互繞轉(zhuǎn)，不斷靠近，最終碰撞并合并形成千新星。關(guān)鍵在于，它們旋近的過程會釋放引力波。

如今，由尤尼斯與普林斯頓大學(xué)的阿比希謝克 · 赫加德領(lǐng)銜的科學(xué)家團隊認(rèn)為，他們已找到方法：通過解析這些引力波的頻率，來解讀中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“當(dāng)它們相互靠近時，一顆中子星產(chǎn)生的潮汐力會使另一顆發(fā)生形變，反之亦然?！焙占拥抡f，“形變的程度取決于恒星內(nèi)部的物質(zhì)構(gòu)成?！?/p>

難題在于，中子星相互繞轉(zhuǎn)時的極端引力與極高速度（可達光速的 40%），迫使科學(xué)家必須借助愛因斯坦的廣義相對論求解。這是一項復(fù)雜的工作，但尤尼斯和赫加德認(rèn)為他們現(xiàn)已找到答案。

雙中子星通過引力潮汐相互改變彼此的形狀與結(jié)構(gòu)時，會在內(nèi)部引發(fā)振蕩，如同鐘鳴一般。這些振蕩的模式被稱為振動模態(tài)，其頻率會烙印在雙中子星輻射出的引力波中。

想要理解這一雙星系統(tǒng)，需要完整的模態(tài)信息。但解析這些模態(tài)十分復(fù)雜：潮汐力是動態(tài)變化的，會隨中子星的繞轉(zhuǎn)而改變，且兩顆星的作用相互疊加，讓觀測難度進一步增加。

尤尼斯指出：“如果沒有完整的模態(tài)集合，在建模時很可能會遺漏潮汐響應(yīng)的部分信息。因為在描述響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型中，你可能會忽略捕捉全部物理現(xiàn)象所需的關(guān)鍵部分?！?/p>

牛頓物理學(xué)（即基于牛頓萬有引力定律的基礎(chǔ)引力理論）包含普通物體的完整振蕩模態(tài)，這類模態(tài)被稱為阻尼諧振子。但在相對論物理中，能否推導(dǎo)出所有模態(tài)一直尚不明確。例如，雙中子星輻射的引力波是廣義相對論（取代牛頓引力理論）所描述的現(xiàn)象，并不在牛頓物理學(xué)的考量范圍內(nèi)。

赫加德說：“如果一個系統(tǒng)在不斷損失能量，那它的模態(tài)就不可能是完整的?！?/p>

團隊的解決思路是拆解問題：單獨分析每一顆中子星，將伴星僅視作潮汐引力源。隨后，他們把每顆中子星按不同尺度劃分為引力強度各異的區(qū)域，分別描述強引力與弱引力環(huán)境，為每個尺度找到近似解后再進行整合。他們甚至發(fā)現(xiàn)，引力波造成的能量損失被有效抵消了。這讓他們成功推導(dǎo)出描述中子星內(nèi)部所有振蕩模態(tài)的解，以及這些模態(tài)如何烙印在最終引力波的頻率中。

“我們證明了兩個關(guān)鍵結(jié)論?！焙占拥抡f，“第一，通過剔除輻射效應(yīng)，我們證實中子星的模態(tài)確實構(gòu)成完整集合；第二，只要用足夠‘平滑’的潮汐場穩(wěn)定求解一組特定方程，就能得到恒星內(nèi)部的解，在廣義相對論中可以實現(xiàn)與牛頓引力理論中完全相同的分析?！?/p>

這項研究尚未結(jié)束。目前，尤尼斯與赫加德團隊的成果還停留在純理論層面，現(xiàn)有引力波探測器在高頻段的靈敏度還不足以探測到這類印記。但兩人樂觀認(rèn)為，下一代探測器將能實現(xiàn)這一目標(biāo)。

該研究成果已于 2 月 18 日發(fā)表在《物理評論快報》期刊上。