探索外来物质的新方法

天文学家利用欧洲和日本/美国国家航空航天局(NASA)的X射线卫星,观察到爱因斯坦预言了三个中子星周围的时空畸变,并因此开创了一种开创性的技术来确定这些超稠密物体的特性。

中子星含有宇宙中最稠密的可观测物质。它们将太阳所能吸收的物质填满到一个城市大小的范围内,这意味着几杯中子星物质将超过珠穆朗玛峰。天文学家利用这些坍塌的恒星作为自然实验室来研究物质在自然所能提供的最极端压力下的紧缩程度。

“这是基础物理学,”美国宇航局戈达德太空飞行中心的Sudip Bhattacharyya说。“在中子星的中心可能存在奇异的粒子或物质状态,例如夸克物质,但不可能在实验室中创建它们。找出答案的唯一方法是了解中子星。”

为了解决这个奥秘,科学家必须准确,精确地测量中子星的直径和质量。在两项同时进行的研究中,一项是与欧洲航天局XMM-牛顿X射线天文台的研究,另一项是与日本/美国国家航空航天局朱雀X射线天文台的研究,天文学家向前迈了一大步。

Bhattacharyya和他的NASA Goddard同事Tod Strohmayer使用XMM-Newton观测到了一个名为Serpens X-1的双星系统,该系统包含一个中子星和一个恒星伴星。他们研究了热铁原子的光谱线,这些铁原子在光速40%的情况下在中子星表面上方的盘中旋转。

以前的X射线观测站检测到中子星周围的铁线,但是它们缺乏详细测量线形的灵敏度。多亏了XMM-Newton的大镜子,Bhattacharyya和Strohmayer发现铁线由于气体的极速不对称加宽,这是由于爱因斯坦狭义相对论所预测的多普勒效应和光束效应使该线模糊和扭曲。中子星强大的引力引起的时空扭曲是爱因斯坦广义相对论的作用,将中子星的铁线移动到更长的波长。

“We’我们已经从许多黑洞中看到了这些不对称线,但这是第一个证实中子星也可以产生它们的证据。它表明中子星积聚物质的方式与黑洞的差别不大,并且为我们提供了一种探索爱因斯坦理论的新工具,” says Strohmayer.

由密西根大学的爱德华·卡克特(Edward Cackett)和乔恩·米勒(Jon Miller)领导的一个小组,包括巴塔查亚(Bhattacharyya)和斯特拉迈耶(Strohmayer),利用朱雀的超强光谱能力对三个中子星双星进行了测量:Serpens X-1,GX 349 + 2和4U 1820-30。该小组观察到Serpens X-1的铁线几乎相同,从而证实了XMM-Newton的结果。它在其他两个系统中也检测到相似的倾斜铁线。

“我们看到气体在中子星表面的周围旋转,” says Cackett. “而且,由于圆盘的内部显然不能绕中子星表面旋转,因此这些测量值使我们获得了中子星直径的最大尺寸。中子星的直径不能超过18至20.5英里,其结果与其他类型的测量结果一致。”

“现在,我们已经看到了围绕三个中子星的相对论性铁线,我们已经建立了一种新技术,” adds Miller. “测量中子星的质量和直径非常困难,因此我们需要多种技术共同努力以实现这一目标。”

知道中子星的大小和质量后,物理学家就可以描述“stiffness,” or “equation of state,”堆积在这些难以置信的密集物体中的物质。除了使用这些铁线来测试爱因斯坦的相对论外,天文学家还可以探测中子星吸积盘内部的情况。

XMM-Newton论文发表在8月1日的《天体物理学杂志快报》上。朱雀论文已提交在同一期刊上发表。

http://www.nasa.gov



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