中子星碰撞如宇宙鐘聲，揭開極端物質的神秘面紗

當中子星相互碰撞時，它們會產生強大的重力波訊號，合併後的殘餘物如同宇宙中的音叉般震盪。科學家將這一階段稱為「長衰減期」，並認為它是解開中子星內部極端物質之謎的關鍵。中子星是宇宙中最極端的天體之一，雖然直徑僅約十幾公里，但其質量卻超過整個太陽系。中子星的內部極其緻密且神秘，科學家至今仍難以完全理解其組成與結構。

然而，當兩顆中子星碰撞時——例如2017年觀測到的著名合併事件——這為研究這些謎團提供了獨特的機會。當中子星在數百萬年間相互盤旋靠近時，它們會釋放重力波，但最強烈的訊號出現在合併的最後時刻及之後。碰撞後的殘餘物形成一個巨大且快速旋轉的天體，並繼續以特定頻率發射重力波。這些訊號攜帶了關於核物質狀態方程的重要線索，揭示了物質在極端壓力和密度下的行為。

由法蘭克福歌德大學的Luciano Rezzolla教授領導的研究團隊，在這些合併後的訊號中取得了重要發現。雖然重力波逐漸減弱，但它們會隨著時間變得更加精細，最終穩定在一個主導頻率上——就像音叉被敲擊後產生的純音。研究團隊將這一階段命名為「長衰減期」，並發現其特性與中子星內部最緻密區域的性質直接相關。

正如不同材質的音叉會產生不同的純音，不同狀態方程描述的殘餘物也會以不同頻率衰減。Rezzolla教授表示，探測到這些訊號有助於揭示中子星的組成。他補充道：「我對這項工作感到特別自豪，因為它展示了法蘭克福和達姆施塔特科學家在中子星研究中的卓越成就，這也是黑森州研究叢集ELEMENTS的核心焦點。」

研究團隊利用先進的廣義相對論模擬，結合精心構建的狀態方程，展示了分析長衰減期如何顯著降低極高密度下狀態方程的不確定性——這正是目前缺乏直接限制的領域。該研究的第一作者Christian Ecker博士表示：「得益於統計建模的進步和德國最強大超級電腦的高精度模擬，我們發現了中子星合併中長衰減期的新階段。這為中子星物質狀態提供了新的嚴格限制。」

共同作者Tyler Gorda博士補充道：「透過巧妙地選擇幾個狀態方程，我們能夠以較少的努力有效模擬多種物質模型的結果。這不僅減少了電腦運算時間和能源消耗，還讓我們對結果的穩健性充滿信心，並相信這些結果適用於自然界中任何實際存在的狀態方程。」

雖然目前的重力波探測器尚未觀測到合併後的訊號，但科學家對下一代探測器充滿期待，例如預計在未來十年內投入執行的歐洲愛因斯坦望遠鏡。當這一探測成為可能時，長衰減期將成為探索中子星內部奧秘和揭示極端物質秘密的強大工具。

參考文獻：Christian Ecker, Tyler Gorda, Aleksi Kurkela 和 Luciano Rezzolla 於2025年2月3日發表於《自然通訊》的論文〈Constraining the equation of state in neutron-star cores via the long-ringdown signal〉，DOI: 10.1038/s41467-025-56500-x。