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（温馨提示：本文4623个字，阅读完需要约15分钟）中子星是宇宙中最神秘的天体之一。1934年，加州理工学院天文学教授巴德与兹威基首次提出：一些恒星演化到末期会爆炸成为超新星并在中心留下半径只有十公里的中子星。它几乎完全由中子构成，极端致密，密度可达水的千万亿倍左右。在过去的几十年里，人们一直假定中子星像巨大的条形磁铁--拥有两个磁极并且磁极附近发出辐射。这些中子星高速旋转。当它们发出的辐射周期性的扫过地球时，其信号就会周期性地被人类制造的仪器或者望远镜探测到。这就像脉搏跳动一样，因此这样的中子星被命名为“脉冲星”。虽然脉冲星的半径只有十公里左右，但其质量却可达太阳质量的1.4~2.0倍左右。然而，脉冲星的质量与半径的精确值以及两者间的精确关系尚未确定。最近，阿姆斯特丹大学的Riley和马里兰大学的Miller分别领衔的两个团队的科学家利用美国宇航中心（NASA）的“中子星内部成分探测器”（Neutron Star Interior Composition Explorer，缩写为NICER）对一颗脉冲星的X射线的探测数据进行分析，得到了几个重要甚至颠覆性的成果。他们发现有一部分脉冲星的磁极达到四个甚至六个，而不是教科书一直认为的两个；另外，他们还首次精确测定出一颗脉冲星的质量与半径。那么，NICER的科学目标与探测原理是什么呢？这两个团队得到的具体成果是什么呢？下面，我们先从中子星、脉冲星与它们的经典磁场模型开始讲，然后依次讨论这几个问题。上世纪60年代，剑桥大学天文学教授休伊士与赖尔在剑桥郡建了一个名为“行星际闪烁阵列”的射电望远镜阵列，用以探测宇宙中的射电源发出的辐射。这些射电辐射就是我们可见光的低能量“兄弟”，波长很长，能量很低。1967年11月28日，休伊士的研究生贝尔在监测这个射电望远镜阵列接受到的信号时，发现了神秘的射电信号。该信号每隔1.33秒重复一次，周期非常精确。分析表明，这些信号源自中子星。这是自1934年中子星概念被提出以来，首次被发现并确认的中子星。为什么中子星会发出周期性的信号呢？理论解释是：中子星就像一根巨大的条形磁铁，拥有两个磁极。而磁极区域的强烈磁场可以将大量带电粒子加速，从而发射出大量电磁波辐射（其中就含有射电辐射）。如果两个磁极的连线与中子星旋转轴存在一个夹角（“磁偏角”），中子星辐射就会周期性的扫过某个区域，如果地球恰好在那个区域内，就会周期性地接收到中子星发出的辐射。这就是中子星的“灯塔模型”，以这种形式被探测到的中子星被称为“脉冲星”。
图：中子星的灯塔模型可以解释人们接收到的脉冲星的周期性辐射（来源：https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsar）此后，“中子星（脉冲星）拥有两个磁极”的说法成为学术界共识，并被写入教科书中。然而，NICER的最新研究却颠覆了这个共识，即：中子星有多个磁极，而不止两个。NICER是一个X射线望远镜，质量是382公斤，上面有56个X射线探测器，可以探测能量在0.2到12千电子伏（KeV）之间的每个X射线光子的能量与精确到千万分之一秒的到达时间。X射线会被地球大气吸收，因此要想探测到这些X射线，必须将探测器部署到太空。这是跟射电望远镜不同的，射电望远镜可以在地球表面接收射电辐射。2017年6月3日，猎鹰九号重型火箭从佛罗里达州东海岸的肯尼迪航天中心起飞，将NICER送到国际空间站。它的预期工作时间是18个月。为了实现预期科学目标，它在18个月内要曝光1500万秒，折合6个月时间。科学家们已经知道：脉冲星的半径为10公里左右，质量在1.4~2.0个太阳质量左右；脉冲星质量越大，半径越小。但是，对于脉冲星的质量与半径的精确值以及二者之间的具体关系，一直没有定论。NICER的使命就是填补这一空白。因此，它的主要科学目标是精确地确定一些脉冲星的质量与半径，确定质量与半径之间的关系，从而确定中子星内部的致密物质的“状态方程”，后者是研究脉冲星内部致密物质的重要性质的核心。
NICER探测的是脉冲星表面的X射线。这些X射线的产生原理如下：中子星磁极附近的磁场不仅会将一部分带电粒子加速后推离出去，还会将附近产生的一部分粒子朝着中子星的磁极区域加速，使后者撞击磁极区域，并将磁极区域加热到上百万摄氏度。越热的物体，发出的大部分光的能量越高。一万与几万摄氏度的物体发出的光分别以蓝紫光和紫外线为主；百万摄氏度的物体发出的光以X射线为主。脉冲星表面的X射线就是这样产生的。NICER探测到脉冲星表面各区域的X射线后，将数据传到数据中心。NICER的数据以开源方式共享给全世界。对这些数据感兴趣的科学家可以下载它们，并根据数据计算X射线的角度差与时间差，计算出脉冲星的质量与半径，进而研究中子星内部的性质。除了以上主要目标之外，NICER还被用来论证脉冲星X射线定位导航技术，用来探测一些X射线爆发，甚至探测与黑洞周围物质有关的X射线辐射。
图：NICER上面的56个X射线探测器构成测量能量与计时的阵列如何实现上面提到的NICER的主要科学目标呢？这要先从爱因斯坦的理论与中子星的特点说起。根据爱因斯坦的“广义相对论”，具有质量的物体会使周围时空弯曲。拥有同样的半径的物体，质量越大的那个，物体表面的时空弯曲的越厉害；拥有同样质量的物体，半径越小的那个，物体表面的时空弯曲的越厉害。显然，如果一个物体质量特别大、半径又特别小，周围的时空就弯曲地尤其显著。而中子星就是这样的天体。为了直观了解中子星周围的时空的弯曲程度，我们可以从“致密因子”出发。天体表面的致密因子与天体质量成正比，与天体表面的半径成反比。如果中子星质量大约是1.4个太阳质量，半径大约是10公里（太阳半径的7万分之1），那么中子星表面的致密因子的值与太阳表面的致密因子的比值就大约是10万。这就使得中子星表面附近时空的弯曲程度远远超过太阳表面的时空弯曲程度。光在平直时空中的传播路径是直线。但如果时空弯曲了，光走的路线就是曲线。时空弯曲的越厉害，光的路线也弯曲的越厉害。显然，在接近中子星表面的时空里，光会弯曲地特别显著，使得中子星表面发出的不同X射线光子到达地球的时间与角度不同。
图：天体的质量导致周围的时空弯曲，本来应该走直线的光在弯曲时空中走曲线；天体质量越大，周围的时空与光的路线弯曲的越厉害；天体半径越小，周围的时空与光的路线弯曲的越厉害。（图来源：网络）NICER可以测量出那些来自中子星表面的X射线光子到达探测器的时间差异与角度的差异。研究人员在得到NICER观测数据后，通过建立各种模型、输入不同的质量与半径以及其他需要的物理量的值，使用计算模拟得到对应的理论数据，再与观测数据比较，经过不断调整直到理论与观测吻合为止。通过这个方法，研究人员就可以确定中子星附近时空的弯曲程度、中子星表面各处的温度以及中子星的质量与半径。NICER可以分辨出1000万分之1秒的时间差，比之前的仪器精确大约20倍。这样的精确性使它可以利用上述原理来反推出中子星的质量与半径，误差低于百分之10。根据NICER在2017年7月至2018年12月间得到的观测数据，两个研究团队（Riley小组与Miller小组）分别独立地研究了NICER观测的几颗脉冲星中的一颗脉冲星（编号为PSR J0030+0451，简称J0030）的X射线辐射。J0030位于双鱼座区域，距离地球约1100光年，每秒钟旋转205次——自转周期为4.87毫秒，属于“毫秒脉冲星”。Riley团队与Miller团队研究的切入点是：通过J0030的X射线辐射研究其热斑的温度、位置、形状与大小。上一节说过，脉冲星磁场将一些粒子狠狠地拽回表面磁极周围区域，使后者温度上升到百万摄氏度以上并发出X射线。因此，探测脉冲星表面各处发出的X射线，就可以反过来确定脉冲星表面各处的温度，据此寻找出温度特别高的区域。那些区域就对应着磁极区域。Riley团队使用荷兰国家超级计算机通过模型对J0030的X射线数据进行了近一个月的模拟与分析。Miller团队使用“沉思2号”（Deepthought2）超级计算机也独立的进行了两次模拟与分析。由于经典教科书几十年来都假定脉冲星只有两个磁极，每个半球分别有一个，所以两个团队一开始都认为南极区域只有一个热斑。因此，他们只是想确定出这一热斑的具体形状。然而，令人意外的是他们获得了惊人的颠覆性结果。Riley团队发现J0030的南半球上有两个温度超过100万摄氏度的热斑，其中一个是小的圆形热斑，而另一个是长的月牙形热斑。Miller团队第一次模拟得到了两个椭圆形热斑，其位置与Riley团队得到的位置吻合；第二次模拟发现了第三个热斑，它接近这颗脉冲星的南极点，温度比另外两个热斑稍低一些。
图：根据两个团队的结果得到的脉冲星J0030南极区的热斑。左边对应Riley团队的结果，有两个热斑；右边对应Miller团队的结果，有三个热斑（来源：https://iopscience.iop.org/journal/2041-8205/page/Focus_on_NICER_Constraints_on_the_Dense_Matter_Equation_of_State）这两个团队的结果意味着这颗脉冲星的南极区域至少有两个热斑，甚至可能有三个热斑。此前公认的理论假定中子星只有两个磁极，因此应该只有两个热斑。而此次发现仅在该脉冲星的南半球就发现了三个热斑。磁极总是成双成对的出现。因此，这颗脉冲星整体上至少应有四个热斑甚至可能有六个热斑（三个在南极，另外的热斑会出现在北极），对应的是四个甚至六个磁极，这简直是三头六臂的脉冲星。这个结果直接颠覆了此前教科书里公认的中子星拥有两个磁极的磁场结构模型。
图：具有四极磁场结构的脉冲星的艺术想象图，图中的曲线代表磁力线。（来源：NASA's Goddard Space Flight Center）因为这项研究只是针对一个脉冲星，并不意味着所有中子星都有这么复杂的磁极结构；也许还有相当一部分具有两极结构。但是，这个结果意味着至少有一部分中子星具有的磁场结构比通常假设的两极结构复杂得多。这项研究还首次确定了脉冲星的磁极区域（极盖）的温度、形状与大小，证明这些热斑的形状比以前人们想象的更复杂。之前的理论研究虽然预测脉冲星的磁极区域会变化，但一直没有观测的支持。此次的研究发现填补了这一空缺。Riley与Miller两个团队还分别估算出这颗脉冲星的质量与半径。Riley团队计算出J0030的质量为1.34个太阳质量，上下误差分别为0.15与0.16太阳质量；它的半径为12.71千米，上下误差分别为1.14与1.19千米。误差范围都在百分之十左右。Miller团队计算出的质量是1.44个太阳质量，上下误差约为0.15与0.14太阳质量；它的半径是13.02千米，上下误差分别为1.24与1.06千米。误差范围也都在百分之十左右。这是首次对中子星的质量与半径进行独立、精确的测量。两个团队得到的数值很接近，在误差范围内是互相吻合的。还有一点值得强调：此前所有被测出质量的脉冲星都是位于双星系统之中，因为需要根据双星的轨道参数来计算质量。而此次两个团队首次测量到独立的脉冲星质量，这也是一个巨大的突破。长期以来，人们无法确定中子星的精确质量与半径，也因此无法确定二者的关系以及背后蕴含的重要物理性质。此外，过去几十年的教科书一直假定脉冲星像一个巨型的条形磁铁，拥有两个磁极。最近的两个团队独立利用NICER探测到的X射线数据，首次完成以下深化或改变人们对脉冲星性质认知的重要成果：1、首次发现脉冲星的磁极不止两个，而可能有四个甚至六个，直接颠覆了教科书长期流行的理论，革新了人们对脉冲星的认识；2、首次确定了脉冲星的磁极区域（极盖）的温度、形状与大小；4、首次测量了不在双星系统中的“单脉冲星”的质量与半径。
1. T. E. Riley et al. A NICER View of PSR J0030+0451: Millisecond Pulsar Parameter Estimation, 2019 ApJL 887 L21(https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab481c)2. M. C. Miller et al. PSR J0030+0451 Mass and Radius from NICER Dataand Implications for the Properties of Neutron Star Matter, 2019 ApJL 887 L24 (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab50c5)
文章作者王善钦，2018年于南京大学获得天文学博士学位，2016年至2018年访问加州大学伯克利分校天文系。主要研究超新星、千新星等爆发现象，至今为止在ApJ, MNRAS上发表17篇科研论文。业余也研究天文学史与物理学史。
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