Constraining hyperonic relativistic mean-field models with rapidly rotating neutron stars

在垂死的恒星核心深处，引力以一种挑战日常经验的力量挤压着物质，物理定律在这里被推向了绝对极限。当一颗质量巨大的恒星耗尽燃料并坍缩时，它会留下一个中子星，这种天体极其致密，以至于其物质中仅一茶匙的重量在地球上就高达数十亿吨。在这些宇宙残骸内部，质子和中子被压缩得如此紧密，以至于它们被迫以我们在地面任何实验室中都无法复制的方式进行相互作用。几十年来，物理学家一直试图为这种被称为“状态方程”的极端物质编写一套规则手册，以预测中子星在坍缩成黑洞之前能达到多重。随着科学家发现这些恒星可能包含被称为“超子”的奇异粒子（即构成普通物质的质子和中子的更重的近亲），这个谜题变得更加复杂。如果这些粒子出现，它们往往会使恒星内部变得更“软”、更容易被挤压，从而降低中子星能承受的最大重量。然而，天文学家最近发现了一些比这种“软化”现象理论上应有的重量还要重的中子星，这在理论与观测之间造成了一种困扰科学家多年的张力。

一支研究团队现在通过构建一套新的理论模型来解决这一问题，以观察这些沉重且快速旋转的恒星如何表现。他们专注于一颗特定的脉冲星，这是一个名为 PSR J0952−0607 的快速旋转中子星，它每秒旋转 707 次，经测量其质量至少为太阳质量的 2.13 倍。这一测量结果是对任何物质理论的严格测试。研究人员使用了一种称为“相对论平均场理论”的框架，该理论将粒子间的相互作用视为在平滑的平均力场中运动，而非个体之间的碰撞。他们构建了数十个不同的模型，通过调整粒子间作用力的强度，观察哪些模型能够在不发生坍缩的情况下支撑起像观测到的那样重的恒星。他们工作的一个关键部分涉及一个控制粒子在高密度下如何相互排斥的特定参数；他们发现，通过调整这种排斥力，可以防止奇异超子过早出现或出现过多，从而保持恒星足够“硬”以支撑其巨大的重量。

研究表明，这些恒星的内部组成对这些排斥力的强度比此前认为的更为敏感。当研究人员增加这种排斥相互作用的强度时，恒星内部奇异超子的比例显著下降。这种减少意味着恒星变得更加坚固，从而能够支撑更高的质量。在模拟中，他们发现对于旋转频率为 707 Hz 的恒星，某些粒子属性的组合确实可以支撑 2.13 倍太阳质量的观测重量。然而，这种成功伴随着权衡。那些足够“硬”以支撑重型恒星的模型倾向于预测恒星在物理尺寸上更大，即具有更大的半径。这与暗示中子星应该更小的其他天文观测结果产生了冲突。研究人员发现，这些恒星允许的物理属性范围非常狭窄，实际上排除了许多现有的、预测中子星会因太“软”而无法支撑如此重质量的理论。

最令人惊讶的发现之一是，不同类型的奇异粒子出现的顺序如何取决于排斥力的强度。在他们的一些模型中，一种特定类型的重粒子出现在另一种之前，而在另一些模型中，顺序发生了翻转。这种顺序是由粒子的电荷与作用于它们的力之间的微妙平衡决定的。通过仔细绘制这些关系图，该团队能够画出可能物理属性空间中的一条边界线。任何落在该线之外的模型都无法解释这颗沉重、快速旋转脉冲星的存在。他们发现，如果排斥力太弱，恒星会在自身重量下坍缩；如果排斥力太强，恒星会变得太大，从而无法符合其他观测数据。这项工作并未完全解决中子星内部的奥秘，但它提供了一套更为精确的约束，明确告诉未来的研究人员哪些物理规则是被观测到的重型恒星所允许的，哪些是被禁止的。

这项研究的影响不仅限于一颗恒星。通过以观测到的 PSR J0952−0607 的质量和自转作为指南，研究人员缩小了自然界在高密度下组织物质的可能方式。他们表明，超子的存在并不一定会注定中子星必然轻量；只要有正确的力平衡，这些奇异粒子可以与质量巨大的稳定恒星共存。然而，这种情况发生的窗口非常狭窄。研究表明，原子核中心密度（即饱和密度）下的核物质属性与恒星能达到的最大质量有着特定的联系。如果恒星内部粒子的有效质量过高，或者排斥力过弱，恒星就无法达到观测到的重量。这一发现有助于过滤掉许多此前被认为可行的理论模型，引导物理学家走向更准确地理解统治宇宙最极端环境的基本力量。

最终，这篇论文证明了中子星的旋转在如何解读其质量方面起着至关重要的作用。由于 PSR J0952−0607 旋转得如此之快，离心力有助于支撑其重量，使其能够比具有相同成分的非旋转恒星更重。研究人员通过计算旋转状态下的恒星结构，而非假设其为静态，来考虑了这一点。这种调整对于使他们的模型与现实世界的观测相匹配至关重要。如果不考虑自转，理论极限将会过低，无法容纳观测到的质量，从而导致得出其物质成分是不可能的错误结论。通过纳入自转，团队展示了观测到的质量与含有超子的恒星是一致的，前提是内部力量经过适当调节。这项工作成为了抽象的粒子物理学数学与具体的、可观测的宇宙现实之间的重要桥梁，证明了即使是最奇异的粒子，也可以受到一颗旋转恒星那简单的、可测量的属性的约束。