比中子星重，比黑洞轻，这个天体到底是什么东西？

​

一名艺术家绘制的NGC 1851E双星系统图，展示了从黑暗神秘的伴星上方眺望的景象。图源：MPIfR; Daniëlle Futselaar (artsource.nl), CC BY

广袤的天空总是少不了未知，天文学家们不时就会在其中邂逅到一些难辨真身的天体。在我们的新研究中，我们发现了一个可能会引发各路讨论和猜测的天体，并将这项研究发表在了《科学》期刊上。

中子星是宇宙中密度最大的天体之一，它们致密如原子核，却又巨大如一座城市；它们冲破了我们认知中极端物质的极限。一颗中子星越重，就越有可能最终坍缩成更致密的存在：黑洞。

这些黑洞无一不是极度致密，同时又有着极强的引力，就连光线也无法挣脱。它们的核心也因此被绝对黑暗的黑洞表面永久地遮蔽在宇宙之外（又称事件视界），无人能窥见分毫，也无人能探明它们的真身。

如果想要探究中子星和黑洞之间临界点的物理学，我们必须要找到一颗处在临界点的天体，同时这颗天体必须可以进行长时间的精确测量。而我们这次所发现的，恰恰就是这样一颗既不是中子星也不是黑洞的天体。

我们在深入观察NGC 1851星团时发现了一对恒星，它们向我们提供了一个研究宇宙中极端物质的新方向。这个系统由一颗毫秒脉冲星（一种快速旋转的中子星，旋转时会将射电光束扫向宇宙）和一颗巨大的、性质未知的隐形天体构成。

哈勃太空望远镜拍摄的球状星团NGC 1851。美国航天局、欧洲空间局和G. Piotto。图源：帕多瓦大学

这个巨大的天体是完全黑暗的，换句话说，从无线电到光学、X射线和伽玛射线波段，所有频率的光线都无法发现它。一般情况下，我们根本不可能研究它，但是现在，毫秒脉冲星将会成为我们最强有力的帮手。

毫秒脉冲星类似于宇宙原子钟，它们的自旋非常稳定，可以通过探测它们规律的无线电脉冲来精确测量。不过，在脉冲星运动时和信号会受强引力场的影响，它的自旋会发生变化。通过观察这些变化，我们可以测量脉冲星轨道上天体的性质。

一支国际天文学家团队一直在使用南非的MeerKAT射电望远镜对这个名为NGC 1851E的系统进行观测。

因此，我们能够精确地详细地描述这两个天体的运行轨道，这样就能看出它们最接近的一点是如何随时间变化的。爱因斯坦在相对论中描述了这种变化，我们可以根据变化的速度推测出系统中天体的总质量。

南非的MeerKAT射电望远镜。南非射电天文台。图源：SARAO

根据我们观测的结果，NGC 1851E系统的总质量几乎是太阳的四倍，而那颗黑暗的伴星，密度要远大于普通的恒星，和脉冲星一样，是一颗致密的天体。按照人们广泛了解的系统和已有的研究来看，目前最大的中子星的质量大约是太阳的两倍，所以，如果这是一个双中子星系统，那么它所包含的两颗天体必定是迄今为止所发现的最重的两颗中子星。

为了揭示伴星的性质，我们需要了解系统中两颗恒星的质量分配。我们再次利用爱因斯坦的广义相对论，详细地模拟了这个系统，并发现伴星的质量在太阳的2.09到2.71倍之间。

在目前已有的研究中，最重的中子星（约2.2个太阳的质量）和最轻的黑洞（约5个太阳的质量）之间存在一个“黑洞质量缺口”，而伴星的质量恰好落在这个缺口中。“黑洞质量缺口”内天体的性质和形成是当前天体物理学中的一大未解之谜。

『天文湿刻』 牧夫出品