揭示物质和时空的基本性质

波茨坦大学天体物理学教授Tim Dietrich和国际科学团队将中子星碰撞的各种观测数据与核物理计算相结合，在限制典型中子星的大小和测量宇宙的膨胀率（由哈勃常数决定）方面取得了突破。他们的结果现已发表在高级期刊《科学》上（点击文末「阅读原文」查看论文）。

两个中子星的碰撞显示了并合过程中释放的电磁波和引力波。多信使的组合解释使它能够了解中子星的内部组成，并揭示宇宙中最极端条件下物质的性质。@ Tim Dietrich

在现代天体物理学中，科学家结合了来自太空的不同类型的信号，特别是光，宇宙粒子和引力波，以回答宇宙历史的基本问题。这种多信使天文学的方法是一个迅速发展的领域，电磁波谱中的宇宙信使包括伽马射线、紫外线、可见光、红外线和无线电。信使粒子可以是电子、质子、中微子、复杂原子核等。最后，引力波是时空本身结构中的微小波动，可由恒星演化末期形成的中子星或黑洞加速运动产生。尤其对于来自碰撞的中子星，天文学家可以描绘出密度超过原子核内部密度（一茶匙物质重量达到数百万吨）的物质的性质。碰撞的中子星产生了元素周期表中的大部分的重元素，并且可以用来测量宇宙的膨胀率。

多步程序约束中子星状态方程（EOS）。允许的EOS显示为蓝线，不允许的EOS显示为灰线。下面的图显示了1.4倍太阳质量的中子星半径的概率分布函数（PDF），虚线表示90％的置信范围。@ 文末原论文图1

为了揭示中子星碰撞中潜在物理过程的奥秘，来自德国、荷兰、瑞典、法国和美国的研究人员将对中子星碰撞的观测与整个电磁波谱和引力波中的信号结合在一起。“我们建立了一个跨学科的框架，将观测结果与理论核物理计算相结合，以提取极端条件下这些系统和物质的天体信息。使用这个方法，我们可以将典型中子星的大小限制为~12 km，即中子星是具有一座城市大小的天体，但其质量却是地球质量的数十万倍，”物理与天文学研究所理论天体物理学教授Tim Dietrich说。此外，研究小组使用提取的天文学信息确定了哈勃常数--描述宇宙膨胀的基本常数--大约为66 km/s/Mpc。“在过去的几年中，科学界试图解决关于宇宙膨胀速度的不同测量结果之间的矛盾。我们的新框架使我们能够重新测量哈勃常数，最终结果略微偏向先前的宇宙微波背景的测量结果。”该研究的合著者、洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家Ingo Tews补充道。

距离-倾角约束和哈勃常数测量。@ 文末原论文图2

从描述中子星核心核物质的理论输入开始，研究人员通过多步程序分析了天文数据。“我们包括通过无线电观测，快速旋转的中子星观测以及通过中子星并合的引力波和电磁信号观测测得的中子星质量，”Tim Dietrich解释了这些方法，“对于后者，我们扫描了整个从无线电频带到伽马射线的频谱。开发的框架是通用的，可以轻松扩展以包括未来几年越来越多的多信使信号的探测。”

两个旋近和并合中子星最后几毫秒的数值相对论模拟。较高的密度以蓝色显示，较低的密度以青色显示，最终的黑洞显示为灰色。@ T. Dietrich, S. Ossokine, H. Pfeiffer, A. Buonanno

论文：Tim Dietrich et al.: Multi-messenger constraints on the neutron-star equation of state and the Hubble constant, Science 370, 1450 (2020), https://science.sciencemag.org/content/370/6523/1450

原文：Colliding stars reveal fundamental properties of matter and space-time

来源：https://www.uni-potsdam.de/en/headlines-and-featured-stories/detail/2020-12-18-colliding-stars-reveal-fundamental-properties-of-matter-and-space-time