当中子星发生碰撞时，它们会产生强大的引力波信号，合并后的残余物会像宇宙音叉一样发出响声。科学家们已经确定这一阶段，即"长振铃"，是了解中子星内部极端物质的关键。
模拟两颗合并的中子星。 资料来源：Luciano Rezzolla
中子星及其神秘的内部结构
中子星是宇宙中最极端的天体。 尽管它们的直径只有十几公里，但其质量却超过了我们的整个太阳系。 它们的内部非常致密和神秘，因此科学家很难完全了解它们的组成和结构。
然而，当两颗中子星相撞时--比如2017年观测到的著名合并--它们为研究这些奥秘创造了一个独特的机会。 在数百万年的时间里，当它们相互螺旋上升时，它们会发出引力波，但最强烈的信号发生在合并的最后时刻和合并之后。 碰撞的余波形成了一个巨大的、快速旋转的残余物，它继续在狭窄的频率范围内发射引力波。 这一信号蕴含着有关核物质"状态方程"的宝贵线索，而核物质的"状态方程"决定了物质在极端压力和密度下的行为方式。
"长振铃"现象
法兰克福歌德大学卢西亚诺-雷佐拉教授领导的研究小组对这些合并后的信号有了一个重要发现。 在引力波逐渐减弱的同时，它们会随着时间的推移变得更加精细，稳定在一个单一的主导频率上--就像音叉被敲击后发出的铃声一样。 研究小组将这一阶段命名为"长振铃"，并发现其特征与中子星内部最密集区域的特性直接相关。
探测最致密物质的新方法
"就像不同材料的音叉会发出不同的纯音一样，不同状态方程描述的残余物也会以不同的频率发出声音。 因此，对这一信号的探测有可能揭示中子星是由什么构成的，"雷佐拉说，"我对这项工作感到特别自豪，因为它是法兰克福和达姆施塔特的科学家们在中子星研究领域卓越成就的典范，而中子星研究一直是黑森研究集群ELEMENTS的核心重点。"
高精度模拟揭示新见解
研究人员利用精心构建的状态方程，对合并中子星进行了先进的广义相对论模拟，结果表明，分析长环流可以显著降低极高密度状态方程的不确定性--在这种情况下，目前还没有直接的约束条件。这项研究的第一作者克里斯蒂安-埃克（Christian Ecker）博士说："得益于统计建模的进步和在德国最强大的超级计算机上进行的高精度模拟，我们在中子星合并中发现了长环流的一个新阶段。 这一发现为更好地了解致密中子星物质铺平了道路，尤其是在未来观测到新的事件时。"
共同作者泰勒-戈尔达（Tyler Gorda）博士补充说："通过巧妙地选择几个状态方程，我们能够有效地模拟整个物质模型统计组合的结果，而且大大减少了工作量。 这不仅减少了计算机时间和能源消耗，还让我们确信我们的结果是可靠的，并将适用于自然界中实际出现的任何状态方程。"
未来的探测器和前进之路
虽然目前的引力波探测器还没有观测到合并后的信号，但科学家们乐观地认为，下一代探测器，如预计在未来十年内在欧洲投入使用的爱因斯坦望远镜，将使这一期待已久的探测成为可能。 届时，长环流将成为探测中子星神秘内部的有力工具，揭示物质最极端的秘密。
编译自/ScitechDaily
DOI: 10.1038/s41467-025-56500-x