想象一下，将一颗质量为太阳两倍的恒星压碎成曼哈顿大小。结果将是一颗中子星——宇宙中任何地方发现的最密集的物体之一，比地球上自然发现的任何物质的密度高出数十万亿倍。中子星本身就是非凡的天体物理物体，但它们极高的密度也可能使它们能够作为研究核物理基本问题的实验室，在地球上永远无法重现的条件下。

由于这些奇异的条件，科学家们仍然不了解中子星本身是由什么制成的，即所谓的“状态方程”(EoS)。确定这一点是现代天体物理学研究的主要目标。IAS的两位学者发现了一个限制可能性范围的新难题：自然科学学院的JohnN.Bahcall研究员CarolynRaithel;以及普林斯顿大学学院成员和约翰A.惠勒研究员EliasMost。他们的工作最近发表在《天体物理学杂志快报》上。

理想情况下，科学家们想窥探这些奇异物体的内部，但它们太小太远，无法用标准望远镜成像。相反，科学家们依靠他们可以测量的间接属性——比如中子星的质量和半径——来计算EoS，就像人们可以使用直角三角形的两条边的长度来计算其斜边一样。然而，中子星的半径很难精确测量。未来观察的一个有希望的替代方法是使用一个称为“峰值光谱频率”(或f2)的量来代替它。

在这个动画中，注定的中子星旋转着走向灭亡。引力波(苍白的弧线)会消耗掉轨道能量，导致恒星靠得更近并合并。当恒星相撞时，一些碎片以接近光速的粒子射流爆炸，产生短暂的伽马射线(洋红色)爆发。除了为伽马射线提供动力的超快喷流外，合并还会产生移动速度较慢的碎片。由吸积到合并残余物驱动的外流会发出迅速褪色的紫外线(紫罗兰色)。在碰撞前从中子星剥离的稠密的热碎片云会产生可见光和红外光(从蓝白色到红色)。紫外线、光学和近红外光统称为千新星。之后，一旦射向我们的喷气机残余扩大到我们的视线范围内，就会检测到X射线(蓝色)。此动画表示在GW170817之后最多9天观察到的现象。图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/CI实验室

但是f2是如何测量的呢?受爱因斯坦相对论定律支配的中子星之间的碰撞会导致强烈的引力波发射爆发。2017年，科学家们首次直接测量了此类排放量。“至少在原则上，峰值光谱频率可以从两颗合并的中子星的摆动残余物发出的引力波信号中计算出来，”莫斯特说。

以前预计f2将是半径的合理代表，因为直到现在，研究人员认为它们之间存在直接或“准普遍”的对应关系。然而，Raithel和Most已经证明这并不总是正确的。他们已经表明，确定EoS并不像解决简单的斜边问题。相反，它更类似于计算不规则三角形的最长边，其中还需要第三条信息：两条短边之间的角度。对于Raithel和Most来说，这第三条信息是“质量半径关系的斜率”，它以比单独的半径更高的密度(因此更极端的条件)对有关EoS的信息进行编码。

这一新发现将使研究人员能够与下一代引力波天文台(当前运行的LIGO的继任者)合作，更好地利用中子星合并后获得的数据。根据Raithel的说法，这些数据可以揭示中子星物质的基本成分。“一些理论预测表明，在中子星核心中，相变可能会将中子溶解成称为夸克的亚原子粒子，”Raithel说。“这意味着恒星内部含有大量自由夸克物质。我们的工作可能有助于明天的研究人员确定这种相变是否实际发生。”