去年8月，一場由兩顆中子星碰撞并合、散落大量黃金鉑金的“宇宙焰火”，被譽(yù)為年度科學(xué)事件。借助引力波探測器和天文望遠(yuǎn)鏡，科學(xué)家們得以更多地了解奇妙而極端的中子星。

比如，這種密度猶如將整座喜馬拉雅山脈壓縮進(jìn)一個(gè)馬克杯的致密天體，最重能有多重？

德國法蘭克福大學(xué)的天文學(xué)家們這次計(jì)算出了一個(gè)嚴(yán)格的上限：2.16倍太陽質(zhì)量，論文發(fā)表在最新一期的《天文物理學(xué)報(bào)》上。

極端天體

中子星是宇宙中的一種“極端”天體，幾乎完全由中子構(gòu)成。中子和質(zhì)子一樣，都是組成原子的粒子，但呈電中性，比質(zhì)子略大。

當(dāng)一個(gè)恒星走向壽命盡頭，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸，根據(jù)質(zhì)量的不同，內(nèi)核可能被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。

1933年，人類發(fā)現(xiàn)了中子。次年，美國物理學(xué)家Walter Baade和瑞士物理學(xué)家Fritz Zwicky提出了中子星的假設(shè)。

1967年，24歲的劍橋大學(xué)女研究生Jocelyn Bell從射電望遠(yuǎn)鏡中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號(hào)。這類新的天體后來被命名為脈沖星，其實(shí)，它們本質(zhì)上是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，在旋轉(zhuǎn)過程中周期性地發(fā)射出電磁波。

中子星是目前已知的最小、最致密的恒星，一茶匙中子星物質(zhì)就重達(dá)10億噸，其產(chǎn)生的引力場與黑洞相當(dāng)。目前，人類發(fā)現(xiàn)在中子星平均半徑在12公里左右，質(zhì)量卻普遍達(dá)到1.4倍太陽，脈沖星PSR J0348+0432甚至超過了2倍太陽質(zhì)量。

自發(fā)現(xiàn)之日，科學(xué)家們就在好奇：中子星的質(zhì)量上限在哪里？

普遍聯(lián)系

不同于黑洞，中子星的質(zhì)量原則上不能無止盡地增加。在一定質(zhì)量范圍內(nèi)，中子星的密度會(huì)隨著質(zhì)量的增加而增加，達(dá)到新的平衡狀態(tài)；但超過一定上限，中子星就會(huì)不可避免地坍縮成黑洞。

這個(gè)質(zhì)量上限難以計(jì)算，因?yàn)?，科學(xué)家們目前對(duì)中子星組成物質(zhì)的狀態(tài)方程式所知甚少。

法蘭克福大學(xué)教授Luciano Rezzolla用一種另辟蹊徑的計(jì)算模型解答了這個(gè)40年的疑問：不旋轉(zhuǎn)的中子星質(zhì)量上限是2.16倍太陽質(zhì)量，結(jié)果精確度在90%以上。

計(jì)算基于法蘭克福大學(xué)2016年提出的“普遍聯(lián)系”原則。所謂普遍聯(lián)系，即中子星的屬性之間存在無因次量（與單位無關(guān)的物理量，如摩擦系數(shù)）。

研究人員計(jì)算了海量星系模型，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化后，這些數(shù)據(jù)表現(xiàn)出獨(dú)立于狀態(tài)方程式之外的普遍特征。由此，他們得出了與中子星各項(xiàng)屬性間的普遍聯(lián)系，包括質(zhì)量上限。

參與研究的Cosima Breu說道：“答案遠(yuǎn)在天邊近在眼前，找準(zhǔn)角度就能看到。”

這次，研究人員將這些無因次量與雙中子星并合時(shí)獲得的引力波和電磁波信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)合，大大簡化了計(jì)算量，對(duì)中子星的質(zhì)量給出了最新的限定。

一場數(shù)百萬光年外的中子星并合由此和Luciano Rezzolla近期的理論研究產(chǎn)生了奇妙的互動(dòng)，共同揭曉一個(gè)困擾天文學(xué)家多年的謎底。他說道：“理論之美在于預(yù)測。不過，理論一直急需由實(shí)驗(yàn)排除一部分不確定性?！?/p>

研究發(fā)表在《天文物理學(xué)報(bào)》數(shù)天后，美國和日本的若干科學(xué)團(tuán)隊(duì)用各自的方法獨(dú)立計(jì)算出了相同的結(jié)果。

未來，引力波天文學(xué)會(huì)觀測到更多類似的天文事件，進(jìn)一步排除質(zhì)量上限計(jì)算的不確定性，幫助人類了解極端條件下的物質(zhì)。包括歐洲核子中心（CERN）和德國反質(zhì)子和離子研究裝置(FAIR)在內(nèi)的粒子加速器，將對(duì)這些計(jì)算結(jié)果進(jìn)行模擬。