宇宙中的中子双星为原子核内作用力提供线索

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  天文学家找到了解中子星内部的新方法,可成为核物理学家研究原子核内部结构的新工具。

  中子星是恒星燃烧完核心的氢后(压力变小),因重力大过压力使其被压缩至城市大小。假如将地球质量的物体压缩到中子星密度,其大小将仅有数百公尺,中子星是致密星体之一。核物理学家对中子或质子间作用力的了解来自原子核,而大自然提供中子星,这个相对原子核有较高密度和中子含量的极端环境,可帮助科学家更了解其性质。

  在一篇发表在MNRAS的研究,Bath大学的天文学家发现,在两中子星绕转轨道逐渐缩小、速度变大到激烈碰撞合并的过程中,其所产生的共振现象将提供中子星内部组成的线索。共振,是指当外加的作用力和物体自然频率相同时,所引起的大震动。如声乐家透过和玻璃杯振动频相同的宏亮歌声,把玻璃杯震碎。

  当两个即将合并的中子星达到共振状态,中子星的坚硬外层(比钢坚硬100亿倍)将碎裂,并产生可被太空望远镜观测到的,明亮伽马射线爆发(又称Resonant Shattering Flare)。互相绕转的中子星也会产生引力波,同时测量引力波和伽玛射线爆可计算中子星的对称能量(symmetry energy)。

  对称能量是核物质的特性之一,它蕴含了在不同比例的质子和中子组成间转化所需的能量。因此对称能量控制了原子核中次原子(质子、中子)的比例,并决定极高密度的中子星内部次原子的比例如何变化。对称能量的数值将显示中子星的组成,乃至于质子和中子间的交互作用力的性质。

  核物理学家从原子甚至更小粒子的尺度,而天文学家则由超过数百万光年远的物体和事件,科学家从两个完全不同的尺度研究同样的现象。虽然束缚夸克形成中子和质子的作用力是已知的,但对其在中子星内(大量中子聚集)的作用,科学家尚未完全了解。实验核物理的资料虽可帮助了解,但因原子核内质子与中子的数量相似且不同原子核的密度差异不大,这与中子星内部,主要由中子组成且密度分布较广(最高可到原子核密度的10倍)的环境非常不同。在本篇研究中,作者提出一个可以从数亿光年远的地方,来了解中子星内性质(对称能量)的方法,这将为了解原子核内部结构提供新的视角。(编译/台北天文馆陈姝蓉)

资料来源:phys.org

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