How big is 中子星?

中子星是大质量恒星以超新星形式爆炸后留下的坍缩核心，超新星爆炸终结了一些大质量恒星的生命。它把比太阳还多的质量压缩进一个直径约 24–26 千米的球体中。这个宽度就是穿过球心测量得到的直径。

大小

科学家认为，中子星在一层稀薄的氢或氦大气之下，有一层由重原子构成的固态外壳，这使它拥有一个可以测量大小的表面。精确的测量数据来自 NICER——国际空间站上的一台 X 射线望远镜。

NICER 的研究对象是脉冲星，即快速自转的中子星。利用 NICER 的数据，天文学家发现脉冲星 PSR J0030+0451 的直径约为 26 千米，质量约为太阳的 1.4 倍。PSR J0740+6620 的质量约为太阳的 2.1 倍，一个团队的分析测得其直径约为 25 千米，另一个团队测得约为 27 千米。2024 年，第三颗脉冲星 PSR J0437−4715 被测得直径约为 23 千米。

这些测量结果都有几千米的误差。将前两颗脉冲星的结果与其他观测数据结合后，一个团队在 2021 年发现，一颗质量为太阳 1.4 倍的典型中子星，半径为 12.45 千米，误差为 0.65 千米。这样算来，它的直径约为 24–26 千米。

大小比较

• NASA 将中子星的宽度与纽约市曼哈顿岛的长度相比较。
• 沿着一颗直径 24 千米的中子星的赤道跑一圈，距离约为 75 千米，相当于约 1.8 个马拉松的长度。
• 火星较大的那颗卫星火卫一长约 27 千米，比一颗中子星的宽度略大。然而，一颗典型中子星的质量却是火卫一的约 260 万亿倍。
• 太阳直径约 139 万千米，是一颗 24 千米宽的中子星的 5.8 万倍。
• 如果把中子星缩小到篮球那么大，太阳就会变成一个直径约 14 千米的球体。

中子星的形成

一颗质量比太阳大许多倍的恒星，在生命末期会耗尽核心中的燃料。核心在自身重力作用下坍缩，恒星随即以超新星的形式爆炸。这些恒星中最重的会留下黑洞，较轻的则会留下中子星。

坍缩会把核心中的质子和电子挤压结合成中子，中子星正是因这种粒子而得名。如果坍缩核心的质量约为太阳的 1 到 3 倍，中子就能阻止坍缩继续进行。

内部结构

科学家认为，中子星呈分层结构。在外壳之下，巨大的压力把原子压碎，形成一片几乎全由中子构成的“海洋”。在更深处，中子的密集程度最高可达原子核内部粒子密度的两倍。至于最中心处的物质究竟是什么形态，目前仍是未知数。

一颗典型中子星平均每立方厘米的物质重达 3 亿至 4 亿吨。通过同时测量中子星的大小和质量，物理学家得以推算出如此致密的物质会如何表现。PSR J0740+6620 的质量比 PSR J0030+0451 高出近 50%，但两者大小几乎相同。这一结果对某些认为中心物质更容易被压缩的理论构成了反驳。

脉冲星及其发现

沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基于 1934 年提出了中子星存在的设想。乔斯琳·贝尔·伯内尔于 1967 年发现了第一批脉冲星。目前已知的中子星大多是以脉冲星的形式被观测到的。脉冲星在自转时会发出扫过天空的波束，就像灯塔的光束一样，因此看起来像是在不断闪烁。

脉冲星的自转速度可以非常快。PSR J0740+6620 每秒自转 346 圈。NICER 能把脉冲星每次发出的 X 射线到达时间精确记录到 100 纳秒（即十亿分之一秒的 100 倍）之内。亮度的变化反映了中子星使光线弯曲的程度，科学家由此结合其质量便能推算出它的大小。

参考资料

• NASA's NICER Probes the Squeezability of Neutron Stars. NASA, 2021.
• NICER. NASA Science.
• Neutron Stars. NASA Imagine the Universe, 2017.
• The Radius of PSR J0740+6620 from NICER and XMM-Newton Data. Miller et al., The Astrophysical Journal Letters, 2021.
• A NICER View of the Massive Pulsar PSR J0740+6620 Informed by Radio Timing and XMM-Newton Spectroscopy. Riley et al., The Astrophysical Journal Letters, 2021.
• A NICER View of PSR J0030+0451: Millisecond Pulsar Parameter Estimation. Riley et al., The Astrophysical Journal Letters, 2019.
• A NICER View of the Nearest and Brightest Millisecond Pulsar: PSR J0437–4715. Choudhury et al., The Astrophysical Journal Letters, 2024.
• Sun Fact Sheet. NASA, 2024.
• Mars Fact Sheet. NASA, 2025.
• Phobos. NASA Science, 2024.
• Marathon. World Athletics.
• Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.