中子星發生的小故障，如何揭示其內部構造資訊？

作者：文/虞子期

中子星緊湊而密集的身體特性，讓其成為了除黑洞以外密度最大的星體，恆星演化末期、超新星爆炸、脈衝星等，都是和它關聯性很強的話題。一般情況下，中子星的旋轉都是規律且迅速的，但有時也會出現一些“小故障”，比如，正在旋轉的中子星維拉，在加速之前突然減速了。自從20世紀30年代中子星被發現之後，科學家們一直因其神秘的存在而感到困惑，中子星的內部到底是什麼樣子？中子星在發生小故障的過程中蘊藏了哪些關鍵資訊，這與其內部構造之間又有何關聯？

數學模型中顯示的中子星內部構造

中子星和其他類恆星相比更為獨特，強烈的重力導致了其外層被凍結，而它們堅硬的外殼又與我們的地球很相似。關於中子星殼的強度，涉及到了天體物理學中的很多問題，比如，在地殼破裂之前，需要在中子星上構建多大的山峰才能夠使其坍塌，它會是什麼樣子？當一顆巨大的恆星進入超新星時期以後，中子星仍然存在，雖然這個演變結果並非絕對，但並沒有人真正的看到過中子星的內部。在數學模型中，中子星是一種由“層”組成的星體，也就是說，除了其緊密的中子以外，在它的層中還存在著其他東西。目前科學家們對中子星的研究，主要是透過從遠處觀察其外部的各種特徵，以更好地理解其構成要素。

但是，對於中子星的研究，即使這樣的物理學和數學模型都能提供一些幫助，但卻遠不能替代實際觀察。當中子星旋轉的時候，它們可以從自己的極點發射電磁輻射，尤其是當旋轉期間間歇指向我們所在的地球之時，研究人員便可以看到這種被稱為脈衝星的中子星光束。而在中子星發生小故障的時候，便是我們瞭解這些緻密物體的絕佳機會，因為這意味著該星體內部的某些部分正在向外移動，所以才導致了旋轉速度突然加快的情況。這是一個相對比較短暫的天文時刻，透過這樣看似微小的變化，科學家們卻可以從中找到許多關鍵資訊，以揭開這種令人困惑已久的物體的許多不為人知的秘密。那麼，中子星發生的這些小故障，如何揭示其內部的構造資訊？

中子星不同於以往的小故障被捕獲

中子星的旋轉一般會保持每分鐘43000次左右的規律，因此，當其旋轉出現故障、並開始加速的情況發生時，我們將這種現象稱為中子星故障。與此同時，中子星也因為不同的特性而被細分，科學家們將能夠形成射電脈衝的中子星稱為脈衝星，透過現有資料分析來看，大約有5%的脈衝星可能會發生故障。而位於VELA星系、相距大約1000光年的中子星維拉（Vela Pulsar），便是天空中無線電頻率最亮的一顆脈衝星，因其大約每隔3年的時間就會發生一次故障，因而成為了所有故障脈衝星中最廣為人知的一顆星體。

作為宇宙中最密集的物體之一，每個中子星的質量都可以達到太陽的1。4倍以上，儘管他們的直徑僅為20公里左右。科學家們一直在研究這些旋轉時會突然加速的中子星，只是異於往日的是：中子星維拉在故障發生之前，便出現了旋轉減速的情況，這可能與故障的原因有關。但由於研究人員也是第一次探測到這種現象的發生，因此，他們也不能完全確定為什麼會出現這樣的情況。在下圖的錢德拉影象中，明亮的白點便是中子星維拉，在其周圍包圍著橙色和黃色的熱氣體，而右上方的熱氣體擺動是因材料射流所導致的。

故障不僅是旋轉速度的簡單增加

在分析維拉此次故障的同時，科學家們還將過往觀察到的故障結果進行了對比，其中包括中子星在發生故障之前的減速情況，以及在故障之後又如何加速回升。研究人員認為，中子星故障背後的原因應該和這種減速有關，因為該現象可以反映出中子星的內部元件產生了延遲。從中子星的組成來看，它擁有三個不同的層，中子星的堅硬外殼由於被地殼內層的超流體中子湯擊中而開始旋轉，因為核心中移動的第二個超流體湯追趕到了第一個，而發生了中子星旋轉的再次減速。這些現象被科學家們稱作過沖，也就是說可能導致故障的滯後，往往發生在亞原子粒子的超流體和周圍的地殼之間。雖然早已有科學家對這種情況進行了預測，但在實際的觀察中，這還是第一次被捕獲到。

在中子星這個研究領域，這項新的發現成為了一個新的難題，科學家們將中子星的這種變化稱為“反故障”之前的減速，透過這個三步序列的完整觀察，得到了中子星故障的三步模型。如果後續還能觀察到其他類似於維拉這樣的脈衝星，那麼科學家們就可以透過對它們的預測進行測試。截至目前，因為只有這一個反故障事件被觀察到，因此該分析僅評估模型本身的相對證據，而無法解釋資料中的所有特徵。之前的研究讓我們能夠預測恆星的旋轉加速和減速過程，而這一次的維拉故障則標誌著產生故障之前對減速現象進行的第一次實時觀察，這或許將重新點燃對中子星故障的更多探索和分析，甚至激發一些新的理論誕生。