中子星密度高，但硬度怎么样？ 第1页

外壳是白矮星状态的铁，里面是流体。

根据这个链接的说法，外壳硬度可能是钢铁的100亿倍。http://news.ruanko.com/archives/550

硬度至少是钻石的1亿亿亿倍。

虽然之前在以下回答中写到约为钢铁的100亿倍^[1]，不过这个数字最近(2021.4)被另外一个不同的研究更新^[2]。

遗憾的是新的方法仍然不是直接用“知乎小勺”挖来测定。

这次研究者选择的方法是自己在实验室制作中子星来测定。恰好以前曾写过一篇「如何制作中子星？」的回答，大家可以参考。下文中也会出现一些诸如“中子过剩核”“π介子”等在该回答中提到过的概念。

好了，开始制作。

原理很简单：既然中子星里尽是中子，我们就模拟这样的构造去制造这样的“中子过剩核”来测定硬度。

中子过剩核意味着原子核密度比通常更大。那要大多少呢？

我们知道，中子星质量与太阳同等，但半径只有10km左右。这意味着从中心部舀一勺体积约1cm^3的中子星物质，其重量可达1亿亿kg——这大概是原子核密度的5~7倍。

问题是，要想在实验室中稳定地制造出像中子星内部存在的高密度物质几乎是不可能的。本次我们用到的方法是通过将加速的原子核撞击到另一个原子核来产生高密度状态。但是，由于此时生成的高密度核物质极不稳定，会在一瞬间崩溃，所以很难调查碰撞中形成了什么样的物质。

因此，研究人员通过使用加速器人工增加或减少中子数，让质量数不同的原子核之间碰撞，系统测量因碰撞而发射出的带有生成的高密度核物质信息的“带电π介子”，将其结果与理论模型进行比较，从而导出中子星内部的硬度。

本次的实验场所是在日本的理研重离子加速器设施RIBF（RI Beam Factory）。利用存在大量稳定同位素的锡( Sn )的RI（放射性同位素）束，生成了中子比通常多的与中子比通常少的两种高密度核物质。

前者由Sn-132原子核（质子数50、中子数82）与 Sn-124原子核（中子数74）碰撞；后者由Sn-108原子核（中子数58）与Sn-112（中子数62）碰撞生成。碰撞的Sn原子核的能量为每个核子270MeV左右，在该能量下，碰撞中心部分的密度可达到原子核密度的1.5~2倍左右（也就是说还是比实际的中子星物质核密度小很多）。

为了比较生成的中子多的高密度核物质和中子少的高密度核物质的硬度差异，需要同时测量由碰撞释放的带电π介子等许多粒子。为此，研究小组事先与美国密歇根州立大学共同开发了三维时间射影型飞行轨迹检测系统「SPiRIT」（图1）。 该系统在多粒子测量装置“SAMURAI Spectrometer”上安装了体积1m^3左右的带电粒子检测器，可以一次测量RI束碰撞产生的多个粒子。 最终，本实验利用SPiRIT成功地系统测量了由中子数不同的两个高密度核物质系统生成的带电π介子。

此前，作为决定高密度核物质状态方程式的有力方法，有人提出了通过使用数值描述原子核之间碰撞的“输送理论模型”的理论计算，进行带电π介子的测量。本次测量的带电π介子被认为带有原子核密度1.5倍的高密度核物质的信息。将两个系统分别放出的带电π介子的能量分布比的差异与输送理论模型进行比较，最终算出1.5倍原子核密度下的中子核物质的硬度（压力）为13±10MeV/fm^3或(2±1.5)×10^29个大气压，这比钻石的硬度大了整整25位数！

图2上边是中子多的高密度核物质，下边是中子少的高密度核物质放出的带电π介子的能量分布比。红线和蓝线表示根据理论模型得出的状态方程式（物质的硬度）的大小的差异。 根据实验值（黑圈）推测出蓝线和红线中间值的硬度最合理。 实线和虚线表示作为计算中不确定因素之一的质量参数的差异。在两个体系中，通过将硬度差异与理论模型进行比较，导出了中子核物质在1.5倍原子核密度下的硬度。

这次，我们求出了1.5倍原子核密度中子过剩的核物质的状态方程式（硬度）。这个状态方程式比以前的精度更高，这不仅可以加深对中子星内部结构的理解，也是数值计算中子星合体和超新星爆炸时的元素合成过程所必须的信息。今后，期待通过测量更高密度、中子更多的原子核物质，有望弄清元素合成过程的更详细情况。

参考

1. ^M. E. Caplan et al. Elasticity of Nuclear Pasta. Phys. Rev. Lett. 121, 132701 (2018).  https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.132701
2. ^J. Estee et al., "Probing the Symmetry Energy with the Spectral Pion Ratio", Physical Review Letters, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.162701