铅原子核测量结果表明中子星可能比预期的要大

据外媒报道，根据一项新的研究，铅原子核外面的中子层比物理学家想象的要厚两倍。这个看似深奥的结果可能会带来意想不到的影响：中子星--恒星在超新星爆炸中爆炸后留下的超密度球体--可能比理论普遍预测的要更坚硬、更大。

“这是一项了不起的实验成就，”阿姆斯特丹大学研究中子星的天体物理学家Anna Watts说道，“它被谈论了很多年很多年，终于看到它完成了，真是太酷了。”

原子核由质子和中子组成，它们被所谓的强核力粘在一起。虽然一般情况下，中子的数目超过质子，但也不是太多，因为质子和中子数量的巨大不平衡会增加原子核的内能从而使它不稳定。理论通常预测一个大的原子核由几乎相等的质子和中子的混合物组成，其周围环绕着一层纯中子。

在托马斯·杰斐逊国家加速器装置中进行铅(Pb)半径实验(PREX)的核物理学家现在已经测量到了这层皮肤的厚度。为了做到这一点，他们从铅-208的原子核上弹回大量的电子。铅-208是该元素最常见的同位素，拥有82个质子和126个中子。带负电荷的电子跟带正电荷的质子主要通过电磁力相互作用使电子偏转。通过这种电磁散射，其他物理学家先前通过测量铅-208核中质子的分布发现其可延伸到半径为5.50费米的地方。

为了探测中子，PREX物理学家利用了电子可以通过弱核力跟质子和中子相互作用的事实。跟电磁力相比，它的强度更为微弱，它的强度取决于进入的电子是否向右旋转。这种偏手性使得PREX研究人员得以检测出弱力的影响。

研究人员向铅核发射一束几乎都以相同方式旋转的电子束并测量它们以特定角度偏转的概率。然后，他们翻转电子使其向相反的方向旋转并寻找偏转电子的电流差异为百万分之一。这种微小的不对称性将表明弱力的影响，它的大小将揭示中子的空间扩散。物理学家们以每秒240次的速度翻转电子的自旋，他们非常小心地确保其不会改变电子束的能量、强度或轨迹。

PREX研究人员在《Physical Review Letters》上报告称，观察到的不对称性意味着铅原子核的中子皮厚0.28费米，误差为0.07。这一测量结果跟PREX团队在2012年报告的之前的测量结果非常吻合，但新数据却将不确定性降低了一半。更精确的发现表明，铅-208的中子表皮厚度约是理论学家预测的两倍。“这迫使每个人开始仔细审视他们的假设，这是实验主义者的梦想，”麻省大学阿默斯特分校的物理学家、PREX团队联合发言人Krishna Kumar说道。

其中一些假设最终涉及到中子星的性质。佛罗里达州立大学的核理论家Jorge Piekarewicz解释称，尽管原子核的密度比中子星小几倍，但前者可以用来推断中子星的密度。他指出，特别是较厚的中子外壳，它们意味着中子星的可压缩性比许多理论预测的要小，而这将使它们更大。事实上，在发表在《Physical Review Letters》上的另一篇论文中，Piekarewicz和他的同事们计算出，PREX的结果表明，一个普通的中子星的半径在13.25到14.25公里之间，其质量是太阳的1.4倍。大多数理论得出的估计数接近10公里。

美国马里兰大学帕克分校的天文学家Cole Miller使用了NASA的中子星内部成分探测望远镜(NICER)，他认为这种巨型望远镜是可行的。NICER的研究人员利用旋转中子星的辐射光谱来推断其大小，甚至还绘制出其表面的不规则性。该仪器测量了两颗质量分别是太阳1.4倍和2.1倍的中子星的辐射，结果发现这两颗中子星的半径都在13公里左右。

但Miller表示，引力波探测器的数据可能更青睐较小、较软的中子星。2017年，美国激光干涉引力波天文台(LIGO)和意大利Virgo探测器的物理学家发现，两颗中子星相互旋转并合并，这可能会形成一个黑洞。Miller称，如果中子星相对较大且硬度较高，那么在合并之前它们应该已经通过引力开始相互变形，但LIGO和Virgo的研究人员在他们的信号中没有发现这种潮汐变形的证据。

然而，密歇根州立大学的核理论家Witold Nazarewicz指出，现在担心PREX结果对天体物理学的影响还为时过早。他指出，该团队只测量了电子散射的不对称性，而研究人员用来将其转化为中子表皮厚度的理论有其自身的不确定性。Nazarewicz称，研究小组从这种不对称中得到的价值可能已经跟铅核的其他性质的测量相冲突了。

Piekarewicz则表示，PREX的惊人结果可能会促使核物理学家和天体物理学家重新检查原子核和中子星之间的理论联系。“这对社区来说是一种心理冲击。”