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比白矮星輕的中子星可能存在,重力波天文台能找到它們

2025年01月03日 首頁 » 熱門科技

比白矮星輕的中子星可能存在,重力波天文台能找到它們


多數已知的中子星質量介於1.4-2.0個太陽質量,上限合理,因超過約兩個太陽質量,中子星會塌縮成為黑洞,下限也能理解,中子星之所以能抵抗引力塌縮,是靠中子的簡併壓力,白矮星則靠電子簡併壓力對抗重力。1930年錢德拉首次發現白矮星質量只能達到現在所稱「錢德拉極限」(Chandrasekhar Limit),約1.4倍太陽質量。通常會認為中子星質量至少要達這個值,否則就會停在白矮星階段,但這不完全正確。

簡單靜力塌縮下,質量低於1.4個太陽質量的天體會保持白矮星。然質量較大恆星並非僅耗盡燃料後塌縮,而經歷超新星爆炸的劇烈事件。如果這種爆炸迅速壓縮核心,核心的確有可能形成質量低於1.4個太陽質量的中子物質,問題在能否穩定維持,這取決於中子物質如何保持結構穩定,性質由「狀態方程」描述。核心中子物質行為由Tolman-Oppenheimer-Volkoff方程式(簡稱TOV方程式)支配,這是基於特定假設參數的複雜相對論方程,目前最佳觀測數據,TOV方程式設置中子星質量上限為2.17個太陽質量,下限約1.1個太陽質量。若將參數調整到觀測允許的最極端值,下限甚至可降到0.4個太陽質量,實務如果能觀測到這些低質量中子星,將進一步約束TOV參數並改善對中子星的理解。

新研究分析Virgo和高端LIGO重力波天文台第三次觀測運行的數據,雖然多數觀測到事件是黑洞整合,但這些儀器也能捕捉中子星與中子星或中子星與黑洞伴星的整合。然這些較小質量整合事件信號強度非常微弱,需預先了解要尋找的信號類型才能檢測到它們。對中子星整合來說,特點在中子星對潮汐變形非常敏感,這些變形會改變整合信號的「啁啾」,而中子星越小,變形越大。

團隊模擬質量低於白矮星的中子星整合時的潮汐變形,並計算這些變形影響觀測到的「啁啾」信號,第三次觀測運行數據尋找這類信號。雖然團隊仍未找到小質量中子星的證據,但對此類整合的假設發生率設置上限:質量不超過0.7倍太陽的中子星可觀測整合事件每年最多不超過2,000次。將來幾十年,重力波天文台靈敏度提升,要麼會發現這些低質量中子星,或直接證明它們不存在。論文已提交專業期刊,現可於預印本網站下載。

(首圖為藝術家搭建想像中的中子星,來源:NASA′s Goddard Space Flight Center/Chris Smith (USRA/GESTAR))

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