中子星被认为是宇宙中最极端的天体之一，其密度可达原子核密度的数倍，并拥有除黑洞外最强的引力场。自20世纪60年代中子星被首次观测以来，其内部组成仍存在大量未解之处。随着引力波天文学的发展，研究人员正尝试利用双中子星螺旋并合过程中产生的引力波，作为探测中子星内部结构的潜在信息来源。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的物理学家与加州大学圣塔芭芭拉分校、蒙大拿州立大学以及印度塔塔基础研究所的研究人员合作，提出并验证了一套用于描述双中子星并合前潮汐响应的理论框架。研究团队表示，他们在理解双中子星系统如何在潮汐力作用下产生时变响应方面取得关键进展，并将牛顿引力下关于潮汐响应的相关结论推广至相对论情形。
该研究于2026年2月18日以编辑推荐形式发表在《物理评论快报》上。研究人员称，这一结果为未来利用引力波信号反推中子星内部结构、进而研究极端物质形态提供了新的理论路径。
中子星作为极端物质研究对象
中子星通常被描述为在极高压力下由质子与电子结合形成中子的致密天体，但研究界普遍认为其成分并不止于中子，重元素、自由电子与自由质子也可能在其中占据重要比例。与此同时，关于更深层结构的假设仍在讨论之中，包括量子超流与超导相等可能性，但这些设想难以通过直接实验验证，尤其是中子星核心区域的组成仍是主要未知。
研究人员指出，中子星不仅是天体物理的重要对象，也可能为极端条件下的物质性质提供线索。一些理论推测，中子星可能与夸克-胶子等离子体相关联。夸克-胶子等离子体是一种由夸克构成的高密度高温物质状态，被认为只在极端环境中出现，例如宇宙大爆炸后最初几微秒的早期宇宙。
在地球上，研究夸克-胶子等离子体主要依赖高能粒子对撞机在极高温条件下产生并探测相关信号，但在较低温度下，目前缺乏可行的实验室手段。伊利诺伊大学物理学教授尼古拉斯·尤内斯（Nicolás Yunes）表示，研究高密度且相对低温的物质非常困难，而中子星为此提供了“天然实验室”。
引力波信号中的潮汐印记
在部分情形下，中子星会形成双星系统，两颗中子星绕共同质心运动并逐渐螺旋靠近，系统能量以引力波形式辐射出去。随着距离缩短，双方引力产生的潮汐力会使彼此发生形变，并激发内部振荡模式。研究人员认为，这些模式会在引力波信号中留下可识别的特征，从而为推断中子星内部结构提供观测入口。
论文第一作者、伊利诺伊大学前研究生、现普林斯顿大学博士后Abhishek Hegade表示，随着两星靠近，潮汐力导致的形变程度与星体内部结构相关。尤内斯则指出，如果能够掌握这些振荡模式的频率及其衰减时间，或可用于约束中子星在地球实验难以达到条件下的物质组成。
关键问题：相对论下潮汐响应能否由“完备模式”描述
研究团队强调，要从引力波中提取模式信息，前提是准确理解中子星对潮汐力的响应机制。潮汐力在并合后期变化迅速，使得响应呈现明显的时变特征。
在牛顿引力框架下，非相对论天体的潮汐响应可用一组振荡模式表示，这些模式在数学上可视为阻尼谐振子，并且能够构成“完备”集合，即任意扰动都可由这些模式展开。尤内斯表示，若模式集合不完备，建模可能遗漏部分潮汐响应，导致描述不完整。
然而，在广义相对论下，双中子星系统具有强相对论特征：密度极高、并合前速度可达光速的40%，并显著扭曲周围时空。研究人员指出，爱因斯坦方程的复杂性使得长期以来难以证明相对论情形下的模式是否同样构成完备集合。团队列举了多项障碍，包括双星相互作用导致难以分离单星效应、星体自引力改变内外方程结构，以及引力辐射带来的能量损失可能破坏完备性等。
研究方法：拆解为单星问题并匹配强弱引力区域
为处理上述难题，研究团队将问题拆解为单颗中子星在外部潮汐源作用下的响应，并在可控条件下施加边界条件以寻找完备模式集合。研究从线性化的爱因斯坦-欧拉方程出发，将星体内外划分为强引力区与弱引力区，并采用匹配渐近展开法分别求解后再进行拼接。
Hegade表示，这种划分在物理上对应“星体内部及表面附近引力强、远处引力弱”的直观结构。研究团队称，通过引入弱引力区并在近区处理中“减去辐射并将其视为小修正”，得以消除辐射对完备性证明的影响，从而获得完备的模式集合。
研究人员还提出了求解星体内部潮汐场的处理方式：通过对爱因斯坦-欧拉方程的适当操作，将内部潮汐场视为振荡的驱动力。在潮汐场变化足够平滑、无突变的条件下，方程会产生谐振子模式，与牛顿理论中的结果相对应。
观测前景与后续工作
研究团队表示，新框架为将理论建模与未来引力波数据对接奠定基础，但现实观测仍受限于探测器能力。尤内斯指出，LIGO合作组织2017年的最新数据在信噪比方面不足以观测该模型所涉及的特征；同时，现有探测器对高频段的灵敏度有限，而中子星振荡模式的大部分信息集中在高频。
研究人员称，未来几年上线的新一代探测器若能提升灵敏度，并在更近距离事件中获得更高信噪比数据，或有助于提取更多细节。在此之前，团队计划将当前仅适用于非旋转星体的框架扩展至旋转情形，并进一步考虑非线性潮汐效应以及磁场等非引力因素。Hegade表示，新框架的优势在于已解决最具挑战性的引力处理问题，下一步将把模型应用到更接近真实天体的配置中。
