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雷神之錘是漫威電影中的著名武器，這樣一個重量級神錘只有雷神才能揮舞，密度非常之大，大到只能是中子星級別的垂死之星才能造就。雖然是科幻電影中的故事情節(jié)，不過中子星的設(shè)定卻很科學(xué)。

圖片來源：電影《雷神》海報

何為中子星？它們在宇宙中是否常見，又以怎樣的方式存在著？如何發(fā)現(xiàn)中子星，對于中子星我們了解多少？天文學(xué)家在揭示這些科學(xué)謎團(tuán)的道路上不斷前行一路收獲。

北京時間 2022 年 9 月 23 日凌晨，國際科學(xué)期刊《自然﹒天文》發(fā)布了廈門大學(xué)顧為民教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊和中國科學(xué)院國家天文臺劉繼峰研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊等人開展的 LAMOST 黑洞獵手計劃的一項重要發(fā)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊基于中國科學(xué)院國家天文臺運行的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的時域巡天數(shù)據(jù)，在距離我們約 1000 光年的銀河系中發(fā)現(xiàn)了一顆特殊的寧靜狀態(tài)中子星。

這顆中子星處于雙星系統(tǒng)中，其伴星是一顆大約是 0.6 倍太陽質(zhì)量的紅矮星，如同一顆閃耀的 " 紅寶石 " 默契地圍繞在安靜的中子星身邊，在一千光年之外的星際空間周而復(fù)始地上演著美麗的雙星之舞。

該中子星雙星系統(tǒng)的藝術(shù)圖，藍(lán)色為中子星，紅色的是其伴星紅矮星

（繪制：喻京川）

恒星終章的中子星故事

恒星作為宇宙舞臺上的主角，和人類一樣，也要經(jīng)歷誕生、成長、衰老和死亡的生命歷程。然而恒星出生時的質(zhì)量大小及自身攜帶的化學(xué)元素含量基本上決定了它一生的命運。

如果一顆前身恒星的質(zhì)量約為 0.5 倍～8 倍太陽質(zhì)量，也就是小質(zhì)量和中等質(zhì)量的恒星最終都會演化成白矮星，我們的太陽最終宿命也將會是一顆白矮星；如果前身恒星質(zhì)量大約在 8～25 倍太陽質(zhì)量，最后階段發(fā)生劇烈的超新星爆炸后將演化成一顆中子星；如果恒星最初的質(zhì)量更大，大于約 25 倍左右太陽質(zhì)量，最終可能會坍縮成為一顆黑洞。

也就是說，中子星與白矮星、黑洞一起成為不同質(zhì)量恒星生命的終章，妥妥的垂死之星 " 本星 "。（點這里看恒星的一生）

中子星是宇宙中引力超強密度極高的致密天體，一個指甲蓋的大小就可能達(dá)到約 20 億噸重，什么概念呢，如果把太陽壓縮到直徑為北京五環(huán)大小的球體內(nèi)，這個球的密度約等同于一顆中子星的密度。

恒星演化示意圖

（圖源：wiki）

上世紀(jì) 30 年代，中子星最早作為理論猜想被提出：如果一顆恒星演化到最后剩下的質(zhì)量較多，多到最終的歸宿不是白矮星，而是在巨大引力的作用下繼續(xù)塌縮。在極高的壓力和溫度下，帶正電的質(zhì)子碰到帶負(fù)電的電子結(jié)合成電中性的中子。就這樣，整個龐大的星體就變成了密度極大且只有中子的獨立世界——中子星。

但之后的 30 多年，天文學(xué)家一直未曾觀測到中子星的存在，理論也沒有被證實，更何況中子星的密度大得出奇，超出想象，在當(dāng)時人們很難相信中子星的存在。

坐了 30 余年的冷板凳，中子星終于從一個理論猜想變成了能夠被實際觀測到的真實天體。1967 年，英國科學(xué)家安東尼 · 休伊什教授和他的研究生喬斯林 · 貝爾發(fā)現(xiàn)了第一顆脈沖星。幾位天文學(xué)家經(jīng)過一年的努力，最終證實這就是一顆正在快速自轉(zhuǎn)的中子星。這顆中子星的發(fā)現(xiàn)獲得了 1974 年的諾貝爾物理學(xué)獎。

從上世紀(jì) 60 年代以來，天文學(xué)家利用各種不同的方法來搜尋發(fā)現(xiàn)中子星。其中包括：高速旋轉(zhuǎn)的中子星產(chǎn)生脈沖信號，天文學(xué)家靠射電波段的觀測來捕獲中子星；雙星系統(tǒng)中致密天體吸積伴星的氣體物質(zhì)形成吸積盤，發(fā)出明亮的 X 射線，天文學(xué)家靠 " 看 " 來找到中子星；雙中子星或黑洞中子星雙星并合會發(fā)出引力波，天文學(xué)家靠 " 聽 " 來找到它們。

而那些既探測不到脈沖信號又沒有發(fā)出 X 射線的寧靜態(tài)中子星與寧靜態(tài)黑洞一樣，都是宇宙中難以發(fā)現(xiàn)的、深藏不露的神秘天體，一直以來都是天文學(xué)家研究的熱點和難點。

如何找到合適的方法發(fā)現(xiàn)這些寧靜的中子星或黑洞，是天文學(xué)家研究致密天體家族及其物理性質(zhì)的關(guān)鍵。

一眼千星的銀河系邂逅

在浩瀚的宇宙中搜尋這些寧靜態(tài)的中子星或者黑洞絕對是 " 大海撈針 "，而在漫天星海中 " 大海撈針 " 正是我國首個天文類國家重點基礎(chǔ)設(shè)施郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）的看家本領(lǐng)。

四千光纖橫掃蒼穹，千萬光譜探秘宇宙。LAMOST 以其一眼千星的優(yōu)勢觀星十一載，引領(lǐng)了國際大規(guī)模光譜巡天項目的發(fā)展，成為世界上首個發(fā)布光譜數(shù)據(jù)超千萬量級的巡天利器。LAMOST 的巡天優(yōu)勢為天文學(xué)家從致密天體的伴星光譜出發(fā)，通過監(jiān)測伴星的運動和光度變化來找到含有寧靜態(tài)中子星或者黑洞的雙星系統(tǒng)提供了新的視角。

LAMOST 與 Gaia

( 圖源：LAMOST 運行和發(fā)展中心 )

2019 年，國家天文臺劉繼峰與張昊彤等人曾利用 LAMOST 巡天優(yōu)勢發(fā)現(xiàn)一顆寧靜的恒星級黑洞（點這里看這個黑洞），并開啟了 LAMOST 黑洞獵手計劃——利用 LAMOST 大規(guī)模巡天優(yōu)勢和速度監(jiān)測方法，發(fā)現(xiàn)一批深藏不露的黑洞和中子星。

廈門大學(xué)顧為民教授和伊團(tuán)博士也是 LAMOST 黑洞獵手計劃中的主要成員，他們從 2018 年以來一直利用 LAMOST 時域巡天數(shù)據(jù)在開展黑洞和中子星等致密天體的搜尋工作。

顧為民教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊從 LAMOST 低分辨光譜巡天中層層篩選出 3000 多個由于多普勒效應(yīng)光譜譜線呈現(xiàn)顯著周期移動的恒星，試圖從這些可能是雙星系統(tǒng)的樣本中尋找恒星級黑洞候選體。

在反復(fù)細(xì)致的分析篩選過程中，伊團(tuán)博士發(fā)現(xiàn)有一個天體的三條光譜上的吸收線（恒星光譜上由于恒星大氣吸收產(chǎn)生的暗條紋）有明顯的移動。這三條光譜是 LAMOST 在觀測了大約一個多小時拍下的，但三條光譜的多普勒移動非常快，速度變化了 270 千米 / 秒，他們預(yù)測這應(yīng)該是一個雙星系統(tǒng)（點這里復(fù)習(xí)雙星系統(tǒng)知識）。

接著，利用美國帕洛馬天文臺的 5 米海爾望遠(yuǎn)鏡對該系統(tǒng)進(jìn)行了 3 個小時左右的后續(xù)觀測，結(jié)果讓他們異常興奮，確信這個恒星的周期性運動和預(yù)測的一致，它應(yīng)該在圍繞另外一個未被望遠(yuǎn)鏡探測到的不可見天體在運動。那它到底在繞 " 誰 " 運動呢？

為了進(jìn)一步確認(rèn)這個 " 神秘 " 天體的身份，顧為民教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊繼續(xù)利用新獲得的帕洛馬望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)，結(jié)合 LAMOST 已有的數(shù)據(jù)，以及美國的凌日系外行星巡天望遠(yuǎn)鏡（TESS）分析發(fā)現(xiàn)：這個雙星系統(tǒng)中，伴星是一顆大約 0.6 倍太陽質(zhì)量的紅矮星，沒有被探測到的天體比其伴星質(zhì)量還大，是一個大約 1.2 倍太陽質(zhì)量的中子星候選體。

借助歐空局的天體測量望遠(yuǎn)鏡（Gaia）數(shù)據(jù)進(jìn)行測距發(fā)現(xiàn)這個雙星系統(tǒng)距離地球非常近，位于大約 1037 光年之外的銀河系內(nèi)，被命名為 LAMOST J112306.9+400736。

LAMOST 在茫茫星河中撒下巡天大網(wǎng)，萬千光譜中捕獲這顆與眾不同的特殊天體，加上美國帕洛馬天文臺海爾望遠(yuǎn)鏡的共同追蹤觀測，才有了與這顆寧靜態(tài)中子星的銀河系邂逅。

星辰相守的宇宙級浪漫

茫茫天宇，耿耿星河，總會有兩顆星相遇，因為相互吸引而圍繞彼此旋轉(zhuǎn)，演繹一段轟轟烈烈的雙星愛情故事，這個中子星雙星也不例外。

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這顆 " 身穿紅色舞衣 " 的紅矮星作為伴星每過 6.6 個小時就會和她的 " 王子 " ——中子星 " 共舞 " 一周，循環(huán)往復(fù)，從不間斷。

天文學(xué)家通過多波段的觀測數(shù)據(jù)獲知，該雙星系統(tǒng)中的紅矮星色球?qū)踊顒颖容^活躍，并向外噴射出火焰狀的日冕，如同鑲嵌了耀眼的金邊。（如下圖所示）。由于中子星的強大魅力（潮汐力作用），作為其伴星的紅矮星被 " 瘦身 " 成為了水滴狀，活像一顆閃耀的 " 紅寶石 " 默契地圍繞在安靜的中子星身邊。遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，仿若一對共舞的 " 雙星情侶 "，中子星淡然自若，紅矮星熱情似火，在一千光年之外的星空中上演著宇宙級的浪漫。

該雙星系統(tǒng)的繞轉(zhuǎn)示意圖

（圖源：https://www.nature.com/articles/s41550-022-01766-0）

有趣的是，該雙星系統(tǒng)的中子星并沒有在吸積紅矮星上的物質(zhì)，周圍也沒有吸積盤的存在，因此無法探測到明亮的 X 射線。研究團(tuán)隊利用我國五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（中國天眼 FAST）對其進(jìn)行了一個小時的射電觀測，同樣也沒有觀測到這顆中子星的脈沖信號，說明該中子星的脈沖信號不存在或者微弱到無法被探測，還可能是脈沖信號并未對著地球。換而言之，這是一個包含寧靜態(tài)中子星的雙星系統(tǒng)。

結(jié)語

我國光譜巡天望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）攜手美國 5 米海爾望遠(yuǎn)鏡（P200）、美國凌日系外行星巡天空間望遠(yuǎn)鏡（TESS）和歐空局的天體測量望遠(yuǎn)鏡（Gaia）以及我國 500 米球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），為發(fā)現(xiàn)和解析這顆非同一般的寧靜態(tài)中子星發(fā)揮了非常關(guān)鍵的作用。

LAMOST 領(lǐng)先世界的光譜獲取率和大規(guī)模巡天的絕對優(yōu)勢使得天文學(xué)家可以利用視向速度監(jiān)測方法來發(fā)現(xiàn)寧靜的黑洞、中子星等致密天體，打破了依賴于尋找 X 射線等信號來搜尋致密天體的觀測限制。

該方法為發(fā)現(xiàn)難以探測的寧靜態(tài)中子星和黑洞起到了實質(zhì)性推動作用，有望實現(xiàn) LAMOST 黑洞獵手計劃中批量發(fā)現(xiàn)黑洞和中子星的科學(xué)目標(biāo)，從而為進(jìn)一步研究恒星形成演化和中子星、黑洞等致密天體的性質(zhì)和形成理論奠定了基礎(chǔ)。

今天，科學(xué)技術(shù)與巡天利器為人類插上了翅膀，我們可以飛向廣袤而深邃的星空，覓其所未見，探其所未知，吾輩之所幸也。