中子星发生的小故障，如何揭示其内部构造信息？

中子星紧凑而密集的身体特性，让其成为了除黑洞以外密度最大的星体，恒星演化末期、超新星爆炸、脉冲星等，都是和它关联性很强的话题。一般情况下，中子星的旋转都是规律且迅速的，但有时也会出现一些“小故障”，比如，正在旋转的中子星维拉，在加速之前突然减速了。自从20世纪30年代中子星被发现之后，科学家们一直因其神秘的存在而感到困惑，中子星的内部到底是什么样子？中子星在发生小故障的过程中蕴藏了哪些关键信息，这与其内部构造之间又有何关联？

数学模型中显示的中子星内部构造

中子星和其他类恒星相比更为独特，强烈的重力导致了其外层被冻结，而它们坚硬的外壳又与我们的地球很相似。关于中子星壳的强度，涉及到了天体物理学中的很多问题，比如，在地壳破裂之前，需要在中子星上构建多大的山峰才能够使其坍塌，它会是什么样子？当一颗巨大的恒星进入超新星时期以后，中子星仍然存在，虽然这个演变结果并非绝对，但并没有人真正的看到过中子星的内部。在数学模型中，中子星是一种由“层”组成的星体，也就是说，除了其紧密的中子以外，在它的层中还存在着其他东西。目前科学家们对中子星的研究，主要是通过从远处观察其外部的各种特征，以更好地理解其构成要素。

但是，对于中子星的研究，即使这样的物理学和数学模型都能提供一些帮助，但却远不能替代实际观察。当中子星旋转的时候，它们可以从自己的极点发射电磁辐射，尤其是当旋转期间间歇指向我们所在的地球之时，研究人员便可以看到这种被称为脉冲星的中子星光束。而在中子星发生小故障的时候，便是我们了解这些致密物体的绝佳机会，因为这意味着该星体内部的某些部分正在向外移动，所以才导致了旋转速度突然加快的情况。这是一个相对比较短暂的天文时刻，通过这样看似微小的变化，科学家们却可以从中找到许多关键信息，以揭开这种令人困惑已久的物体的许多不为人知的秘密。那么，中子星发生的这些小故障，如何揭示其内部的构造信息？

中子星不同于以往的小故障被捕获

中子星的旋转一般会保持每分钟43000次左右的规律，因此，当其旋转出现故障、并开始加速的情况发生时，我们将这种现象称为中子星故障。与此同时，中子星也因为不同的特性而被细分，科学家们将能够形成射电脉冲的中子星称为脉冲星，通过现有数据分析来看，大约有5%的脉冲星可能会发生故障。而位于VELA星系、相距大约1000光年的中子星维拉（Vela Pulsar），便是天空中无线电频率最亮的一颗脉冲星，因其大约每隔3年的时间就会发生一次故障，因而成为了所有故障脉冲星中最广为人知的一颗星体。

作为宇宙中最密集的物体之一，每个中子星的质量都可以达到太阳的1.4倍以上，尽管他们的直径仅为20公里左右。科学家们一直在研究这些旋转时会突然加速的中子星，只是异于往日的是：中子星维拉在故障发生之前，便出现了旋转减速的情况，这可能与故障的原因有关。但由于研究人员也是第一次探测到这种现象的发生，因此，他们也不能完全确定为什么会出现这样的情况。在下图的钱德拉图像中，明亮的白点便是中子星维拉，在其周围包围着橙色和黄色的热气体，而右上方的热气体摆动是因材料射流所导致的。

故障不仅是旋转速度的简单增加

在分析维拉此次故障的同时，科学家们还将过往观察到的故障结果进行了对比，其中包括中子星在发生故障之前的减速情况，以及在故障之后又如何加速回升。研究人员认为，中子星故障背后的原因应该和这种减速有关，因为该现象可以反映出中子星的内部组件产生了延迟。从中子星的组成来看，它拥有三个不同的层，中子星的坚硬外壳由于被地壳内层的超流体中子汤击中而开始旋转，因为核心中移动的第二个超流体汤追赶到了第一个，而发生了中子星旋转的再次减速。这些现象被科学家们称作过冲，也就是说可能导致故障的滞后，往往发生在亚原子粒子的超流体和周围的地壳之间。虽然早已有科学家对这种情况进行了预测，但在实际的观察中，这还是第一次被捕获到。

在中子星这个研究领域，这项新的发现成为了一个新的难题，科学家们将中子星的这种变化称为“反故障”之前的减速，通过这个三步序列的完整观察，得到了中子星故障的三步模型。如果后续还能观察到其他类似于维拉这样的脉冲星，那么科学家们就可以通过对它们的预测进行测试。截至目前，因为只有这一个反故障事件被观察到，因此该分析仅评估模型本身的相对证据，而无法解释数据中的所有特征。之前的研究让我们能够预测恒星的旋转加速和减速过程，而这一次的维拉故障则标志着产生故障之前对减速现象进行的第一次实时观察，这或许将重新点燃对中子星故障的更多探索和分析，甚至激发一些新的理论诞生。