在1967年8⽉6⽇，约瑟琳·⻉尔（Jocelyn Bell）正在观察⼀⽀红笔在移动的记录纸上画出的波浪线——这是她⽤射电望远镜观察遥远的星系得到的博⼠课题数据。她注意到⼀个波浪线看起来很奇怪。⻉尔现在是⽜津⼤学天体物理学客座教授，她在办公室⾥告诉我，那是⼀个“细⼩的杂峰”。这个“杂峰”是⼀系列间隔1.3秒的尖锐脉冲。⻉尔接下来⼏个晚上都在持续观察它。
在接下来的⼏个⽉⾥，⻉尔、她的博⼠导师安东尼·休伊什（Antony Hewish）和⼀些同事们紧紧地保守着这⼀发现的消息，同时检查所有可能的选项，尤其是这是否可能是来⾃外星智能的信号。⻉尔半开玩笑地回忆说，在她的论⽂答辩前半年，⼀群外星⼈联系我们的星球并劫持她的博⼠项⽬，她对这种可能性并不感到兴奋。
12⽉21⽇，在去度假之前，⻉尔再次去查看数据。她发现了另⼀个波浪线，与第⼀个信号都来⾃我们银河系的同⼀个部分。这让⻉尔松了⼀⼝⽓：不可能有第⼆组外星⼈也在同⼀时刻从天空的另⼀部分向地球发出信号。这些脉冲⼀定来⾃⼀种新的、未知的天体。
然⽽这个认识并不⽐“发现外星⼈”的解读靠谱。⾮常短的脉冲意味着⼀个⼩的天体，⼤约⼗分之⼀光秒，这⽐地球⼤不了多少。然⽽，脉冲的极端规律性意味着巨⼤的能量储备，这说明该物体按理说必须是巨⼤的。他们的发现⼀经发表，⼀位描述这⼀发现的科学记者安东尼·⽶歇利斯（Anthony Michaelis）就给这个新天体起了⼀个⼴为⼈知的绰号：脉冲星。
微⼩的半径和巨⼤的质量使⻉尔、休伊什和同事们认为它是⼀个被理论家称为中⼦星的天体。⼏⼗年后的今天，天体物理学家仍然不知道这些天体内部究竟发⽣了什么。但是去年夏天，《天体物理学杂志快报》上发表了⼀篇引⼈注⽬的⽂章，⻉尔等⼈报道了⼀颗⽐我们的太阳重2.35倍的中⼦星，这是已报道的最重的中⼦星。尽管并不是每个⼈都认可这⼀观测，但它仍在合理的范围内。
被公认最重的中⼦星有2.08个太阳质量，还有⼏颗超过2个太阳质量——⽐⼀些理论家认为可能的更重。这使他们重新思考当物质被推向极限时会发⽣什么。
把直径140万千⽶的太阳的质量塞进⼀个直径仅20千⽶的体积⾥，就会得到中⼦星。它是我们所知道的由普通物质构成的最致密的物体，仅⽐⿊洞差⼀点。在我们的银河系中可能有⼏亿颗中⼦星。
把⼀颗星星压缩到⼀个城市的⼤⼩，即使对于⾃然界的基本⼒来说也不是⼀件容易的事。物质倾向于抵抗压缩，这就是为什么⾏星和恒星通常不会在⾃身重量下塌缩。当⼀颗普通恒星⾜够⼤，⽐太阳重8到15倍，⼜耗尽了所有的核燃料并被压缩到极端密度时，中⼦星就诞⽣了。恒星的外层在超新星爆炸时被抛射到宇宙空间中，⽽核⼼残留为中⼦星。
物理学家认为中⼦星有点像鸡蛋，有壳（外壳）、外核（蛋清）和内核（蛋⻩）。外壳由铁核组成，因为铁这种元素是核聚变过程的终点。如果向中⼦星的内层⾛，压⼒不断增加。核⼦（即质⼦和中⼦）会被紧紧压在⼀起，使它们变成奇怪的形状。物理学家称这个区域为“核⾯团”。
在外核中，铁核分解成质⼦和中⼦。质⼦本身并不能持久存在。它们与电⼦融合形成更多的中⼦。这个过程产⽣由中⼦组成的液体，即所谓的中⼦汤。它不是普通的液体，⽽是⼀种违背了我们对流体流动的许多直觉的超流体。如果你在地球上将⼀些超流体放在烧杯⾥，它会沿着杯壁往上爬！
到⽬前为⽌，中⼦星的物质组成虽然奇怪，但完全在物理学家在实验室中经常研究的条件范围内。再深⼊⼀点到内核，那⾥就是完全的谜团。中⼦星的核⼼⽐原⼦核更致密。理论家不知道那⾥的中⼦是否仍然完整，或者它们是否进⼀步分解成更⼩的粒⼦——夸克。极低温和超⾼压理论上可能导致⼀种夸克果冻的状态的形成。
很难想象如何研究这种极端的物质，它按定义处在濒临坍塌成⿊洞的边缘状态。
但是，只需考虑两个数字：中⼦星的⼤⼩和质量，你就可以取得惊⼈的进展。这两个数字反映了内核中物质形态的可压缩性。为了描述这种可压缩性，物理学家提出了⼀种所谓的状态⽅程，它将密度与压⼒联系起来。有许多不同的模型提出不同的组成，每个模型——每个状态⽅程——都预测中⼦星的⼤⼩和质量之间存在某种特定关系。对于给定的密度，中⼦星越重，压⼒就必须越⾼。
天⽂学家有⼀系列技术来测量中⼦星的质量。其中最好的⽅法之⼀是通过脉冲星定时：持续数年甚⾄数⼗年的尺度上测量脉冲的规律性。中⼦星的半径则更难精确测量。
科学家从多个⽅⾯解决这个问题。他们结合核理论和引⼒波、射电脉冲、X射线的实验观测。
X射线数据是⼀项特别重要的新发展，来⾃美国航天局于2017年在国际空间站安装的NICER（Neutron Star Interior Composition Explorer，中⼦星内部组成探测器）仪器。达姆施塔特⼯业⼤学的研究⼈员阿希姆·施温克（Achim Schwenk）在分析NICER数据时说：“如果内核中有与中⼦和质⼦不同的物质，观察重中⼦星是看到它的迹象的最好机会。”
当中⼦星处于双星系统中时，中⼦星和它的伴星的运动对两个物体的质量都很敏感。其中⼀个物体是另⼀个物体的重量标尺，反之亦然。另⼀种⽅法是研究中⼦星碰撞时的变形程度。变形性告诉我们，当另⼀个中⼦星靠近时，引⼒潮汐⼒压缩中⼦星有多困难。
2017年，两个引⼒波探测器——美国的LIGO和意⼤利的Virgo——探测到了时空中微⼩的涟漪，创造了历史。这些涟漪是由两颗中⼦星相撞扰乱了宇宙的结构⽽引发的。就在上周，天⽂学家研究这⼀事件的余波时发现，早期的碎⽚，即“⼀团富含重⾦属的⽕球”，⽐预期更为对称。
通过各种技术，理论家们逐步排除候选的状态⽅程。⽐太阳质量⼤两倍的中⼦星的发现表明，内核内部的物质不会太像果冻——它必须⾮常坚硬才能⽀撑这样的质量。但是LIGO和Virgo测量的变形性表明，状态⽅程并不太坚硬。
然⽽，仅靠天⽂观测是不够的。
正如佛罗⾥达州⽴⼤学的研究⼈员豪尔赫·⽪卡雷维奇（Jorge Piekarewicz）所称，中⼦星核⼼的密度范围巨⼤，从⼤约原⼦核密度的⼀半到的其五⾄六倍——在恒星内部形成⼀种“密度阶梯”。他和其他⼈必须运⽤不同的理论⽅法来描述中⼦星的不同层次：壳、内核等。没有⼀种单⼀的技术能够确定整个状态⽅程。因此，研究必然是跨学科的。
⽪卡雷维奇说：“这为许多领域提供了独特的协同作⽤，旨在理解在地球实验室⽆法复制的条件下物质的结构。”
核物理实验可以接近重复出这些条件。⼀种⽅法是使⽤粒⼦加速器碰撞诸如⾦这样的重核，——例如，德国GSI海姆霍兹重离⼦研究中⼼的施⻙⾥奥宁同步加速器18。碰撞是在⻜⽶尺度上模拟中⼦星合并的过程。它们将物质压缩到原⼦核密度的⼏倍，模拟外核和内核的条件。施温克说，这些碰撞中关于状态⽅程的信息与天⽂物理学的约束⾮常⼀致。
在这种密度下，亚原⼦粒⼦的细节会表现出很⼤的不同。
中⼦和质⼦通常被认为是相同⼤⼩的，实际上，在中⼦数⼤于质⼦数的原⼦核中略有不同——中⼦有⼀个附加的壳层，或者⽤⾏话来说是“⽪肤”。⽪卡雷维奇和他的合作者们认为，这层⽪肤越厚，中⼦产⽣的压⼒就越⼤，对于给定的质量，中⼦星就会越⼤。由弗吉尼亚⼤学的肯特·帕施克（Kent Paschke）领导的⼀个实验⼩组在弗吉尼亚州纽波特纽斯的杰斐逊实验室测量了中⼦⽪肤，以验证这⼀理论。
然⽽，结果⼜带来了⼀个新的惊喜。杰斐逊实验室的实验表明，中⼦星物质⾮常坚硬，⽐引⼒波观测所暗示的更坚硬。假设两者都是正确的，那就呈现出⼀个悖论。这可能意味着在中⼦星内部发⽣了⼀些新的事情——也许是⼀种意想不到的状态变化，将夸克果冻变成了更奇怪的东⻄。“如果这个坚硬-软-坚硬的结果能够得到证实，这表明中⼦星内部可能发⽣相变。
” ⽪卡雷维奇说，“⾄于相变到什么——是夸克、超⼦还是其他东⻄——现在下结论还为时过早。”
约瑟琳·⻉尔在1967年夏天的那个夜晚发现的奇怪的“碎⽚”永远改变了天⽂学。它为我们打开了⼀个窗⼝，让我们看到了宇宙中最极端的物质。中⼦星可能不是外星⼈，但寻找它们的组成同样引⼈⼊胜。