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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，不過中子星的設定卻很科學。

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？如何發現中子星，對于中子星我們了解多少？天文學家在揭示這些科學謎團的道路上不斷前行一路收獲。

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

研究團隊基于中國科學院國家天文臺運行的國家重大科技基礎設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）的時域巡天數據，在距離我們約 1000 光年的銀河系中發現了一顆特殊的寧靜狀態中子星。

這顆中子星處于雙星系統中，其伴星是一顆大約是 0.6 倍太陽質量的紅矮星，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始地上演著美麗的雙星之舞。

該中子星雙星系統的藝術圖，藍色為中子星，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，也要經歷誕生、成長、衰老和死亡的生命歷程。然而恒星出生時的質量大小及自身攜帶的化學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量約為 0.5 倍～8 倍太陽質量，也就是小質量和中等質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；如果前身恒星質量大約在 8～25 倍太陽質量，最后階段發生劇烈的超新星爆炸后將演化成一顆中子星；如果恒星最初的質量更大，大于約 25 倍左右太陽質量，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大小的球體內，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 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塌縮。在極高的壓力和溫度下，帶正電的質子碰到帶負電的電子結合成電中性的中子。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，英國科學家安東尼 · 休伊什教授和他的研究生喬斯林 · 貝爾發現了第一顆脈沖星。幾位天文學家經過一年的努力，最終證實這就是一顆正在快速自轉的中子星。這顆中子星的發現獲得了 1974 年的諾貝爾物理學獎。

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

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

如何找到合適的方法發現這些寧靜的中子星或黑洞，是天文學家研究致密天體家族及其物理性質的關鍵。

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設施郭守敬望遠鏡（LAMOST）的看家本領。

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

LAMOST 與 Gaia

( 圖源：LAMOST 運行和發展中心 )

2019 年，國家天文臺劉繼峰與張昊彤等人曾利用 LAMOST 巡天優勢發現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 大規模巡天優勢和速度監測方法，發現一批深藏不露的黑洞和中子星。

廈門大學顧為民教授和伊團博士也是 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 時域巡天數據在開展黑洞和中子星等致密天體的搜尋工作。

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

在反復細致的分析篩選過程中，伊團博士發現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，他們預測這應該是一個雙星系統（點這里復習雙星系統知識）。

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

為了進一步確認這個 " 神秘 " 天體的身份，顧為民教授領導的團隊繼續利用新獲得的帕洛馬望遠鏡數據，結合 LAMOST 已有的數據，以及美國的凌日系外行星巡天望遠鏡（TESS）分析發現：這個雙星系統中，伴星是一顆大約 0.6 倍太陽質量的紅矮星，沒有被探測到的天體比其伴星質量還大，是一個大約 1.2 倍太陽質量的中子星候選體。

借助歐空局的天體測量望遠鏡（Gaia）數據進行測距發現這個雙星系統距離地球非常近，位于大約 1037 光年之外的銀河系內，被命名為 LAMOST J112306.9+400736。

LAMOST 在茫茫星河中撒下巡天大網，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鏡的共同追蹤觀測，才有了與這顆寧靜態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，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。

天文學家發現這顆 " 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，循環往復，從不間斷。

天文學家通過多波段的觀測數據獲知，該雙星系統中的紅矮星色球層活動比較活躍，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。遠遠望去，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。

該雙星系統的繞轉示意圖

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

有趣的是，該雙星系統的中子星并沒有在吸積紅矮星上的物質，周圍也沒有吸積盤的存在，因此無法探測到明亮的 X 射線。研究團隊利用我國五百米口徑球面射電望遠鏡（中國天眼 FAST）對其進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中子星的雙星系統。

結語

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

LAMOST 領先世界的光譜獲取率和大規模巡天的絕對優勢使得天文學家可以利用視向速度監測方法來發現寧靜的黑洞、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。

該方法為發現難以探測的寧靜態中子星和黑洞起到了實質性推動作用，有望實現 LAMOST 黑洞獵手計劃中批量發現黑洞和中子星的科學目標，從而為進一步研究恒星形成演化和中子星、黑洞等致密天體的性質和形成理論奠定了基礎。

今天，科學技術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。