中子星: 引力检验的极端实验室 | Science Bulletin

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速递

Neutron stars as extreme laboratories for gravity tests

Lijing Shao, Kent Yagi

Science Bulletin, 2022, 67(19): 1946–1949

doi: 10.1016/j.scib.2022.09.018

简介

中子星这个概念最先由朗道等人提出，它们是恒星演化后期塌缩的产物，是一类极端致密的星体。中子星的物质密度极高，中心密度远远超过核物质密度，由此导致其引力场的强度仅次于黑洞，这就提供了一类检验强场引力的“天然实验室”。

在银河系里，中子星连同其磁层通过高速自转形成可观测的“脉冲星”，周期性的辐射信号可被大型射电天文望远镜探测到。该类观测中用到的“脉冲星计时”技术通过长期监测脉冲星信号到达时间，能够高精度地推知中子星系统的一系列物理参数。1993年的诺贝尔物理学奖颁发给了发现首例脉冲星双星系统的天体物理学家。正是通过脉冲星计时方法对该双星系统的监测，人类首次获得了引力波存在的证据，为后来建设引力波激光干涉仪起到了重要的促进作用。近年来，探测双中子星并合的引力波信号，提供了一种观测银河系外中子星系统的新手段。双中子星系统并合时，周围的强引力场高度地弯曲时空，中子星的轨道速度也达到了光速的量级，提供了另外一类与脉冲星互补的检验强场引力的天然实验室。脉冲星和引力波提供了引力检验的理想场所。但是，因为超核密度物质的物态方程存在很大的不确定性，这将影响到引力检验的精度。幸运的是，近些年来对中子星各个物理量之间的“普遍关系”的建立，在很大程度上减轻了物态带来的不确定性，使得强场引力检验能够更好地开展。来自北京大学的邵立晶研究员和弗吉尼亚大学的Kent Yagi教授对中子星在强场引力检验方面的贡献进行了回顾，并详细讨论了如何使用中子星的“普遍关系”来克服物态在引力检验方面带来的不确定性。 

Fig. 1  (a) Artistic illustration of the double pulsar (figure courtesy of M. Kramer). (b) The top panel presents the confrontation of the double pulsar data with the binary periastron time shift due to gravitational-wave radiation predicted in Newton’s gravity and Einstein’s gravity. The bottom panel shows the deviation from Einstein’s gravity, which is consistent with random noises, with a normalized .

Fig. 2  Universal relation between the moment of inertia and Love number for neutron stars (I-Love relation). Each quantity has been normalized to be

dimensionless using the mass, speed of light c, and gravitational constant G. Each marker corresponds to one equation of state and the solid curve is the fit. Inset: the relation between the mass and radius that strongly depends on the equations of state (shown by different colors).

通讯作者

邵立晶 北京大学科维理天文与天体物理研究所研究员。研究内容：引力理论的检验、引力波、脉冲星与中子星、暗物质的天文学研究、黑洞时空、基本物理的精确检验、贝叶斯数据分析与统计方法等。

栏目介绍

展望 Perspectives

介绍当前迅速发展的某个研究领域的突出进展, 归纳总结该领域近期取得的最新成果, 评价其创新性和科学意义(一般不超过3个印刷面, 可包含1-2个图表, 参考文献一般不超过15条)。