探秘质量间隙：它是中子星还是黑洞

原创 Eugene Wang 万象经验

LIGO和VIRGO在过去几年里探测到了许多起引力波事件，它们是由两个致密天体（中子星或黑洞）的合并产生的。这些事件不仅证实了爱因斯坦的广义相对论，而且揭示了一些新奇的天体物理现象。这些事件中有一些特别引人注目，因为它们涉及到一些质量在2.5到5倍太阳质量之间的天体，这个范围被称为“质量间隙”。

为什么叫质量间隙呢？因为在这个范围内，我们从来没有观测到过任何的中子星或黑洞。最重的已知中子星的质量大约是2.14太阳质量，而最轻的已知黑洞的质量大约是5太阳质量。那么，这些质量间隙中的天体到底是什么呢？它们是非常致密的中子星，还是非常轻的黑洞，或者是一些其他的奇怪的物质状态呢？

要回答这个问题，我们需要更多的观测数据，特别是那些能够测量这些天体的质量和半径的数据。这样，我们就可以用物理学的原理来判断它们是什么。幸运的是，我们有一种非常强大的工具，就是脉冲星的精密计时。脉冲星是一种快速自转的中子星，它们会从两极发射出强烈的无线电波，就像一盏灯塔一样。如果一个脉冲星与另一个致密天体组成双星系统，那么我们就可以通过测量它们的轨道运动来推断出它们的质量。

科学家使用了南非的MeerKAT射电望远镜，对一个位于球状星团NGC 1851中的脉冲星PSR J0514-4002E进行了观测。这个脉冲星是一个毫秒脉冲星，它的自转周期只有几毫秒。利用了MeerKAT的高灵敏度和高时间分辨率，科学家对这个脉冲星的到达时间进行了精确的测量，从而得到了它的轨道参数和质量。我们发现，这个脉冲星的质量是1.78太阳质量，而它的伴星的质量在2.09到2.71太阳质量之间（95%置信区间）。这个结果让我们大吃一惊，因为这意味着这个伴星的质量正好落在了质量间隙中！

那么，这个伴星到底是什么呢？它是一个超重的中子星，还是一个超轻的黑洞，或者是一些其他的东西呢？我们首先排除了它是一个普通的恒星的可能性，因为我们没有在任何波段观测到它的光学或红外辐射。我们也排除了它是一个白矮星的可能性，因为白矮星的质量不可能超过1.4太阳质量，这是由量子力学的简并压限制的。

那么，它是一个中子星还是一个黑洞呢？这个问题很难回答，因为我们不知道中子星的最大质量是多少，也不知道黑洞的最小质量是多少。这些都取决于中子星的物质方程，也就是描述中子星内部物质的密度和压强之间关系的方程，这是一个未解决的物理问题。不过，我们可以用一些已知的观测事实来做一些推测。

首先，我们知道，如果这个伴星是一个中子星，那么它必须是一个非常致密的中子星，因为它的质量已经超过了目前已知的最重的中子星的质量。这意味着它的半径必须非常小，否则它就会因为自身的引力而坍塌。根据一些理论模型，这样的中子星的半径大约是10公里左右，比一般的中子星（大约是12公里）还要小一些。这样的中子星的表面重力也非常强，大约是10^14倍的地球表面重力。

这样的中子星如果有一个强磁场，那么它就会像一个脉冲星一样发射无线电波。但是，我们没有在任何波段观测到这个伴星的无线电辐射，这意味着它要么没有磁场，要么磁场非常弱，要么磁场的轴线和自转轴非常接近，以至于我们看不到它的无线电波束。这些都是非常罕见的情况，所以我们认为这个伴星是一个中子星的可能性不大。

其次，我们知道，如果这个伴星是一个黑洞，那么它必须是一个非常轻的黑洞，因为它的质量已经低于了目前已知的最轻的黑洞的质量。这意味着它的事件视界，也就是黑洞的“无法逃脱”的边界非常小，大约是6公里左右，比一般的黑洞（大约是15公里）还要小一些。

这样的黑洞如果有一个快速旋转的吸积盘，那么它就会发出强烈的X射线辐射。但是，我们没有在任何波段观测到这个伴星的X射线辐射，这意味着它要么没有吸积盘，要么吸积盘非常稀薄，要么吸积盘的温度非常低，以至于我们看不到它的X射线辐射。这些都是非常罕见的情况，所以我们认为这个伴星是一个黑洞的可能性也不大。

那么，我们是否可以考虑一些其他的可能性呢？也许这个伴星是一种我们还没有发现的新型致密天体，它既不是中子星，也不是黑洞，而是一种介于两者之间的物质状态。这种物质可能是由奇异夸克组成的，或者是由一些更加基本的粒子组成的。这种物质的性质可能与我们熟悉的物质有很大的不同，比如它可能没有电荷，没有磁场，没有吸积盘，也没有无线电辐射。这种物质可能只能通过引力波来与我们沟通，就像黑洞一样。这种物质可能存在于质量间隙中，也可能存在于更高的质量范围中，只是我们还没有观测到而已。

当然，这些都是非常大胆的猜想，我们需要更多的证据来支持或否定它们。我们需要更多的观测数据，来测量这些质量间隙中的天体的质量和半径以及它们的其他性质。我们也需要更多的理论模型，来描述这些天体的物质状态，以及它们的形成和演化过程。我们也需要更多的实验数据，来探索极端条件下的物质行为，以及验证我们的理论预言。

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