《中子星的秘密生活

忘掉考古学家和他们失落的文明吧，忘掉古生物学家和他们的化石吧——天体物理学家埃洛伊丝·史蒂夫斯在一个完全不同的尺度上研究过去。当天文学家在天空中瞥见一个不寻常的信号时，也许是恒星爆炸发出的光，史蒂夫斯会接收这个信号，并将时钟倒拨数十亿年。她在新西兰奥克兰大学工作，追踪死亡和垂死恒星的过去生活，她称之为恒星谱系。她说:“明星的生活充满了戏剧性。”

2017年8月17日，天体物理学家在一个遥远的星系中目睹了两颗死亡恒星的残余核(即中子星)相互碰撞。他们通过时空涟漪(引力波)以及由此产生的爆炸所产生的光来探测这一事件，这被称为中子星并合。这是科学家第一次也是唯一一次利用引力波观测到这样的事件。根据这些信号，他们推断出中子星的质量是太阳的1.1到1.6倍。他们还发现，这种碰撞产生了宇宙中一些较重的自然元素，比如金和铂。但总的来说，这些信号带来的困惑多于答案。

研究人员不知道这些合并有多普遍，他们也不能确定它们是创造了宇宙中所有的重元素，还是只是一部分。但如果天体物理学家能够观察到更多这样的合并，他们就可以回答这些甚至更深入的问题，比如宇宙的年龄。这就是恒星系谱学可以帮助的地方。

在今年1月发表的一项研究中，史蒂夫斯和她的同事们利用这次碰撞的观测来深入研究中子星的过去。他们推断出碰撞前数十亿年的细节，当时这两个物体仍在其核心中融合氢，成为两颗普通恒星，作为一个单元相互环绕，被称为双星系统。通过更详细地了解这些双星及其演化过程，她的团队正在努力找出如何更系统地搜索并理解这些合并事件。

根据史蒂夫斯和她的团队的分析，碰撞中的两颗中子星分别是一颗质量为太阳13到24倍的恒星的残骸，另一颗质量为太阳10到12倍的恒星的残骸。它们都是在50亿到125亿年前开始发光的，在那个时候，只有1%的恒星组成是由比氢和氦更重的元素组成的。

这项工作还描述了两颗恒星在燃烧完燃料成为中子星之前的相互作用。它们开始时相距数千万公里，听起来很远，但实际上远低于地球和太阳之间的距离。每颗恒星的外部都被称为恒星包层的气体包围着。史蒂夫斯和她的团队的模型确定，在恒星的一生中，一颗恒星的包层至少两次吞没了另一颗恒星，也就是说，它们的外层气体合并成为一个共享的包层。

这是关于两个遥远物体的很多细节，特别是如果你考虑到天体物理学家只是直接观察到它们极端暴力的结局。这个团队从一堆灰尘中重建了一座城市。为了从如此少的东西中推断出如此多的东西，他们将对中子星的观察与对其他恒星和星系的研究收集到的见解结合起来，创建了一个庞大的数学模型，包括观测到的恒星和假设的恒星。该模型详细描述了25万颗不同类型恒星的温度、化学成分和其他特征，从内部到表面，以及每颗恒星燃烧燃料并最终死亡时这些属性是如何变化的。此外，该模型还可以模拟整个星系，每个星系都包含多个不同年龄和化学成分的恒星集合。

因此，为了揭示合并后的中子星的过去，史蒂夫斯和她的同事们在他们的模型中复制了观察到的中子星数据，这可以告诉他们两颗恒星合并前发生的最有可能的情况。例如，他们得出结论，这两颗恒星多次共享一个包络线，因为这两个物体碰撞所需的时间很长。当两颗双星合并包膜时，共享包膜中的气体会产生一种阻力，使恒星的轨道变慢，然后导致恒星向彼此旋转，迅速缩短它们之间的距离。为了像它们的残余核心那样快速合并，这些恒星需要多次共享信封。