天文学家早已发现，就像地球上的生命一样，宇宙中的恒星也是有生命周期的。当一颗质量大于8个太阳质量的恒星耗尽燃料时，其核心最终会坍缩，形成宇宙中最致密的天体：中子星或黑洞。
在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个国际天文学家团队报告了一个有可能引发讨论和猜测的新发现：通过使用位于南非的MeerKAT射电望远镜，他们发现了一个由毫秒脉冲星（一类快速旋转的中子星）和未知天体组成的双星系统。
这个未知致密天体的质量恰好落在了所谓的“质量间隙”之内。这个质量间隙介于已测得的最重中子星（约2.2个太阳质量）和已测得的最轻黑洞（大约5个太阳质量）之间。
位于南非的MeerKAT射电望远镜。图/South Africa Radio Astronomy Observatory (SARAO)
一个奇特的双星系统
在利用极其灵敏的MeerKAT望远镜深入观测球状星团NGC 1851时，研究人员发现了这个被称为NGC 1851E的双星系统。
在这个双星系统中，未知的天体在所有波段的光中都是不可见的。一般情况下，这会使得研究难以继续进行。但在这个特殊的例子中，双星系统中的毫秒脉冲星——PSR J0514−4002E，起到了关键作用。
脉冲星是一种特殊的中子星。从地球上看，脉冲星似乎忽明忽暗。但实际上，当脉冲星高速旋转时，从两极发出射电脉冲会像灯塔放出的光一样，以一定的间隔掠过地球。这些射电脉冲非常有规律，甚至可以被当作是一种“宇宙时钟”。最精确的脉冲星被称为毫秒脉冲星，每秒旋转数百次。
毫秒脉冲星的自旋非常稳定，天文学家可以通过探测它们产生的射电脉冲来精确测量它们的自旋。虽然毫秒脉冲星的自旋本身是稳定的，但当这些脉冲星在运动或其信号受到强引力场的影响时，观测到的自旋就会发生变化。通过观察这些变化，天文学家就可以测量与脉冲星相互旋绕的天体的性质。
未知天体会是？
在新的研究中，研究人员就利用MeerKAT射电望远镜的观测数据，精确地描述了NGC 1851E中的两个天体的轨道。他们发现它们最接近的点会随着时间的推移而变化。根据爱因斯坦的广义相对论，他们可以依据这种变化计算出系统中天体的总质量。
观测结果显示，这个双星系统的总质量约为太阳质量的3.9倍。而且在这个系统中，未知的黑暗伴星也是一个致密的天体，它比普通的恒星密度要大得多。在对这个系统进行详细的模拟后，研究人员发现，这颗伴星的质量在太阳质量的2.09到2.71倍之间，这恰好落在了“质量间隙”之内。
为了解释这一发现，研究人员提出了一种有趣的可能性：这颗未知的致密天体是由两颗中子星并合形成的（如下图）。
这个系统的潜在形成历史：毫秒脉冲星是在一个小质量X射线双星中产生的，它留下了一个白矮星伴星。后来，通过交换交会过程，白矮星被当前的伴星——一个较轻的黑洞或一个较重的中子星所取代。图/Thomas Tauris / Aalborg University / MPIfR)
研究人员之所以作出这种不寻常的推测，是因为NGC 1851有着不寻常的环境。NGC 1851距离地球约4万光年，它是古老恒星的密集集合。与银河系中的其他地方相比，这里的恒星之间的距离要紧密得多。在这个拥挤的恒星“舞池”里，恒星可以相互作用，扰乱轨道，在最极端的情况下甚至可能发生碰撞。
比如，当两颗中子星碰巧靠得太近时，它们的“舞蹈”就会以灾难性的方式结束。它们碰撞所产生的黑洞会比坍缩恒星形成的黑洞轻得多，可以自由地在星团中游荡，直到遇到另一对恒星“舞者”，然后相当粗暴地介入其中，并在这个过程中将较轻的那个踢出去。
研究人员认为，正是这种碰撞和交换机制，可以产生新研究所观测到的系统。
由哈勃空间望远镜拍摄的球状星团NGC 1851。（图/NASA， ESA， G. Piotto / Università degli Studi di Padova）
未完成的工作
不过，对于这个系统的研究工作还没有完全完成。研究人员尚无法确定他们是否发现了已知最大质量的中子星，或已知质量最小的黑洞，亦或是一些新的奇异恒星变体。但可以肯定的是，他们发现了一个独特的实验室，在这个实验室里，他们可以在宇宙中最极端的条件下探索物质的性质。
参考来源：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg3005
https://theconversation.com/black-hole-neutron-star-or-something-new-we-discovered-an-object-that-defies-explanation-221190
本文来自微信公众号：原理 （ID：principia1687），作者：不二北斗