中子星（neutron star）是人类目前发现除黑洞外密度最大的星体，恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后可能成为的少数终点之一，质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍，

1932 年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的詹姆斯·查德威克发现中子（因此获得1935年的诺 贝尔物理学奖）。苏联著名物理学家列夫·朗道当时正在丹麦著名物理学家波尔那里进行访问，参加了波尔召集的新发现的中子的讨论。讨论会上，朗道敏锐地推断如果恒星质量超过钱德拉塞卡极限，也不会一直塌缩下去，因为电子会被压进氦原子核中，质子和电子将会因引力的作用结合在一起成为中子。中子星就这样在观测技术并不是很先进的时代被预言。

1934年，巴德和兹威基在《物理评论》上发表文章，认为超新星爆发可以将一个普通的恒星转变为中子星，而且指出这个过程可以加速粒子，产生宇宙线。

1939年奥本海默和沃尔科夫通过计算建立了第一个定量的中子星模型，但他们采用的物态方程是理想的简并中子气模型。中子星是处于演化后期的恒星，在老年恒星的中心形成。根据科学家的计算，当老年恒星的质量大于十个太阳的质量时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于8个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。

1967年，剑桥大学研究生约瑟琳-贝尔在观测中发现一个天体以快速脉冲的形式快速发射电波,每个脉冲包含0.01秒的射电爆发,随后是1.34秒的射电宁静。由于每个脉冲之间的时间间隔惊人的一致且准确,精度甚至可以媲美原子钟。后来，英国科学家休伊什终于弄清了这种奇怪的电波，原来来自一种前所未知的特殊恒星，即脉冲星。这一新发现使休伊什获得了1974年的诺贝尔奖。一些学者的估计，银河系内中子星的总数至少应该在20万颗以上 ,截至2023年8月,人类在银河系中发现的脉冲星已超过3000个。其中较为著名的一颗是蟹状星云的中心的一颗脉冲星。

2007年天文学家借助欧洲航空局（ESA）的珈马射线天文望远镜（Integral），发现了迄今旋转速度最快的中子星。这颗中子星编号为XTE J1739-285，每秒钟可沿自己的轴线旋转1122圈。按照地球的概念转一圈一天的话，在这个中子星上一秒钟可以经过3年多。这个发现推翻了原来认为的每秒700圈的星体转速极限。

这颗中子星的直径约10公里，但质量却与太阳相近，其密度惊人，高达每立方厘米1亿吨。其巨大引力从临近恒星不断夺取大量炙热气体，并不断诱发热核爆炸。

2010年10月27日英国《每日电讯报》报道，天文学家发现了宇宙中迄今为止最大的中子星，其质量几乎是太阳的两倍。

这颗名为PSR J1614-223的中子星的大小与一个小城市差不多，相对而言并不算是一个大的星球，但其密度却是惊人的高，它上面很少量一点物质的质量就高达5亿吨。

同白矮星一样，中子星也是处于演化后期的恒星，是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的计算，当老年恒星的质量为太阳质量的约8~2、30倍时，恒星核心中的氢、氦、碳的等轻元素逐渐被核聚变转化为铁等重元素。由于铁元素的比结合能较大，无法再支持恒星进行进一步的核聚变，随着核心中的氢、氦、碳等轻元素之间耗尽，核心的核聚变强度随之下降。当核心中核聚变产生的压力无法克服它自身的万有引力时，便会发生引力坍缩，即：恒星外壳向外膨胀，而它的核受到反作用力而收缩。原子核首先会被挤压到一起，进一步的，当电子简并压无法克服万有引力时，电子会被挤压进质子变成中子。随后，失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落，有可能导致外壳的动能转化为热能而向外爆发产生超新星爆炸。爆炸后剩余的核心残骸有可能变为一颗中子星。而质量小于8个太阳的恒星往往只能演化为一颗白矮星。

更为特别的，在双星系统中，当白矮星具有一个更年轻的大质量伴星时，伴星超出洛希瓣范围的物质将会被致密的白矮星吸引，吞噬。由此白矮星的质量会不断变大并重启核聚变反应，当其质量超过1.44倍太阳系质量（即钱德拉塞卡质量极限）时，白矮星会爆发超新星。此类型的超新星成为Ia型超新星。

中子星并不是恒星的最终状态，它还要进一步演化。根据估算,在中子星温度降到1亿K前主要通过向外辐射大量中微子进行冷却(即Urca process),在其降温到1亿K以下后,尤卡过程终止,但由于它的温度依然温度很高，不断向外界进行大量热辐射的同时，两级喷射出的高能粒子射线也也带走了大量的物质能量（光辐射），因此，它通过减慢自转以消耗角动量维持光度。当它的角动量消耗完以后，中子星将变成不发光的黑矮星。

然而，如果中子星能够不断从其他来源——如从星际尘埃云或者可能存在的低密度伴星处吸积物质，那么中子星的质量可能会进一步变大，当其质量超过奥本海默极限时，便会同白矮星形成中子星的过程一样：此时中子简并压无法继续阻止恒星核心继续坍缩，中子星最终会演化为黑洞。

中子星普遍具有高密度，高转速，强磁场，强辐射等性质。

顾名思义，中子星是由中子物质组成的——但不完全准确。的确，中子星是由原恒星内核演化而来的，其主要物质组成是中子，但是由于不同深度的压强差异较大，因此中子星不同层的物质形态不同.现在普遍认为中子星主要分为四层,其外部是一个等离子大气，其厚度大约为0.3-0.5千米;表面则是一个固态的铁元素壳层，主要由Fe原子核的晶格点阵和简并自由电子气构成，厚度约为1km;随着深入物质的密度从铁晶体密度快速升高到,此时高强度的压强逐渐将电子挤压进质子结合成一系列富含中子的核，例如Ni，Ge，Zn，Mo，Kr ;更深入的,中子漏过程发生,开始产生自由中子;当压强达到时,原子核结构消失,只剩下纯中子物质(或是含有少量质子和电子的中子流体),而更内部的核心则被推测是奇异物质或者说超子。

尽管如此，中子星的密度仍然是人类已知仅次于黑洞其逃逸速度在0.2-0.5倍光速之间。由于万有引力产生的压力（约个大气压）已经大到连电子简并压被克服，中子星内部物质密度和原子核密度相当足以看成一个巨大的原子核（与原子核不同的是，前者由万有引力维持，而后者由强相互作用维持），整体密度在每立方厘米 克至克，几乎是白矮星的十亿倍。典型的中子星的质量在1.35-2.1倍太阳质量之间，其截面大小与一个城市的大小相当（其直径约为太阳直径的3-7万分之一）；更为直观地，把地球压缩到中子星密度大小，其截面积也就一个篮球场的大小（22米）。可见中子星的密度之大。

除了质量大,体积小的高密度特性外,中子星具有极快的转速——这是角动量守恒的结果. 这是因为中子星继承了原来母星的角动量,但是却因为坍缩导致转动惯量减少,从而使得其角速度大幅增大.计算表明,即使原恒星的角速度较小,在坍缩成为中子星后也能达到极高的转速.不过,随着中子星不断向外辐射物质和能量,其转速最终会逐渐降低.

20世纪80年代中期,第一个毫秒脉冲星被发现这类脉冲星每秒自转数百圈,截至2016年,人类已在银河系中发现现了约250个毫秒脉冲星,其中三分之二的毫秒脉冲星都位于球状星团内,这三分之二中的一半又位于双星系统.而人类发现的迄今转速最快的中子星，每秒旋转1122圈，比地球自转快1亿倍。最先观测到这颗星的西班牙天文学家库克勒说，早在1999年便已发现了这颗代号为 J1739-285的中子星，但不久前才通过望远镜算出它的转速。

此前的中子星自转纪录是每秒716圈，恒星转速一般在每秒270-715 圈。700圈曾被认为是天体旋转极限，按当今的物理学理论，转速超过此极限，恒星将被强大向心力摧毁或化为黑洞。但最新发现否定了这一看法。理论上，每秒1122转并不是旋转极限，大型中子星转速有可能高达3000转。令天文学家困惑的是，为什么天体在高速旋转的强大离心力下，却依旧会不断收缩，而且不损失自身物质。

在恒星坍缩为中子星的过程中,整个恒星的磁感线被挤压在一起使得中子星的磁场强度是原恒星磁场强度的数倍.同时中子星的高转速和其表面的等离子物质又共同加强了原来的磁场,使得一些被观察到的脉冲星的磁场高达10000亿Gs,甚至20万亿Gs.

中子星和黑洞这样的超大质量天体的两极通常都是在持续不断地放出高能射线, 中子星的强磁场将带电粒子加速,沿着磁场方向向外倾泻，使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波（包含X射线,γ射线和可见光等）。中子星的能量辐射是太阳的100万倍，约为瓦特。按照世界上的用电情况.它在一秒钟内辐射的总能量若全部转化为电能，就够地球用上几十亿年。

与此同时,中子星还和宇宙中的X射线暴源与γ射线暴源的形成有关。

由于中子星表面温度极高,辐射出的电磁波大多为高频电磁波(X射线,γ射线),因此无法用光学望远镜对其进行观测。通常，可以借助射电天文望远镜对两种中子星进行观测,这两种中子星被称为:脉冲星、磁星。

脉冲星和灯塔模型

脉冲星是20世纪60年代四大天文发现之一（其他三个是：类星体、星际有机分子、宇宙3K微波辐射）。

脉冲星的发现

1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为1.337秒。起初她以为这是外星人“小绿人（LGM）”发来的信号，但在接下来不到半年的时间里，又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体，并把它命名为脉冲星（Pulsar）。脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。

然而，荣誉出现了归属争议。1974年诺贝尔物理学奖桂冠只戴在导师休伊什的头上，完全忽略了学生贝尔的贡献，舆论一片哗然。英国著名天文学家霍伊尔爵士在伦敦《泰晤士报》发表谈话，他认为，贝尔应同休伊什共享诺贝尔奖，并对诺贝尔奖委员会授奖前的调查工作欠周密提出了批评，甚至认为此事件是诺贝尔奖历史上一桩丑闻、性别歧视案。霍伊尔还认为，贝尔的发现是非常重要的，但她的导师竟把这一发现扣压半年，从客观上讲就是一种盗窃。更有学者指出，“贝尔小姐作出的卓越发现，让她的导师休伊什赢得了诺贝尔物理奖”。著名天文学家曼彻斯特和泰勒所著《脉冲星》一书的扉页上写道：“献给乔瑟琳·贝尔，没有她的聪明和执着，我们不能获得脉冲星的喜悦。”

关于脉冲星真正发现者的争论和对诺贝尔奖委员会的质疑，已经历了40年。40年后的今天，它再次成为关注话题。回首往事，作为导师的休伊什获得了诺贝尔奖，无可厚非，但贝尔失去殊荣，却令人感到惋惜。如果没有贝尔对“干扰”信号一丝不苟的追究，他们可能错过脉冲星的发现。若把诺贝尔奖“竞赛”比作科学“奥运会”，那么，40年前的“裁判”们显然吹了“黑哨”，至少是误判，这玷污了诺贝尔奖的科学公正权威性。

1993年，两位美国天文学家因发现脉冲星双星而荣获诺贝尔奖时，诺贝尔奖委员会格外精心，邀请贝尔参加了颁奖仪式，算是一种补偿吧。1968年，离开剑桥后，她和休伊什没有再合作，直到20世纪80年代，他们才在一次国际会议上相见，并握手言和。脉冲星发现以来，除了诺贝尔奖，她荣获了十几项世界级科学奖，并成为科学大使。

灯塔模型

许多人在初次接触中子星和脉冲星的概念时会将两者认为是不同的天体,实则不然,脉冲星只是依赖人类观测方式划分的某一类型的中子星.实际上,较为年轻的中子星的两个磁极在持续稳定的释放高能射线,与此同时,中子星的磁轴往往与自转轴并不重合,这就导致了进动现象.中子星两个磁极释放出的高能粒子束随着中子星的自转像灯塔上的探照灯一样在天区中扫过一个圆环,倘若此时地球恰好在扫过的圆环内,那么人们便可通过射电望远镜接收到一系列稳定的快速脉冲.而每次脉冲就代表中子星两极发出的高能射线扫过地球一次,脉冲周期也即是其自转周期.这也就是脉冲星的灯塔模型。

磁星

磁星的理论于1992年由科学家罗伯特·邓肯（RobertDuncan）及克里斯托佛·汤普森 （Christopher Thompson）首先提出，在其后几年间，这个假设得到广泛接纳，去解释软 γ 射线重复爆发源（soft gamma repeater）及不规则 X 射线脉冲星（anomalous X-ray pulsar）等可观测天体。据估计,每约10颗超新星爆发 就能产生1颗磁星.

对于那些原恒星磁场就较强的恒星，在演化为中子星后转速增大，由于磁通量守恒其磁场激增能达到大约，这类中子星被称为磁星。磁星的转速极高，年轻的磁星可达到每秒数百次的自转速度，而其磁场强度大约是普通中子星的1000倍，足以在月球轨道的一半距离上擦除地球上的一张信用卡。作为对比，地球的自然磁场是大约6×特斯拉；一小块钕磁铁的磁场大约是1特斯拉；多数用于数据存储的磁介质可以被特斯拉的磁场擦除。

除了上述理论,还有一种较为普遍的理论人为中子星的磁场是由中子星进入平衡构型之前存在的湍流,密度极高的传导流体中的磁流体动力学发电机过程产生的.然后由于中子星中间层物质的质子超导相中的持续电流使得该磁场能够持续存在.

由于磁星表面存在超强磁场,经常会放出短暂而强烈的伽马射线暴和软伽马射线重复暴.此外,这些磁星也常以诡异的X射线脉冲特征被观测到。

双星系统

中子星在孤立体系中会随着能量的耗散而逐渐转化为黑矮星,然而在双星系统中却不尽然.对于双星系统,有的是自然形成,有的则是通过双星交换实现形成的.对于前者,中子星的伴星通常是大质量的,因为在超大质量原恒星的坍缩产生的超新星中,小质量恒星很难幸免遇难;而后者,则是中子星在靠近小质量双星系统时,从中逐出一颗主序星并代替它的位置而形成的.极为特别的,在双星系统中发生超剥离超新星可以使得该恒星系出现两个中子星.所谓超剥离超新星,是指在超新星爆发前,其质量已被其伴星大量剥离,因此超新星爆发时的冲击便没有那么激烈,以至于将伴星炸走.而在剩余的伴星身上也发生同样的过程,便可诞生一个中子双星系统.

在双星系统中的中子星可以不断从大质量伴星处吸积洛希瓣外的物质,使其本身质量增大,在其质量超过奥本海默极限后便可以进一步坍缩为黑洞.同时在吸积过程中,被吸积的物质不会直接落在中子星的表面,而是形成一个吸积盘,然后慢慢地以螺旋轨道向内移动.吸积盘内部会因为大量气体的挤压变得异常的高温,此时他会持续放出X射线流.而当温度高到核聚变的临界温度时,其结果是突然发生一段快速的核燃烧,释放出巨大的能变量,产生一个短暂但强烈的X射线闪耀——X射线暴.

千新星事件

而在中子双星系统中,上述的X射线流和X射线暴的现象会变得更强.此时, 若是两颗星的距离在几千米之内，合并将会是不可避免地，两个致密的天体将会螺旋地接近对方，轨道周期会逐渐变短，同时产生较强的引力波。这样的合并可能产生一次猛烈程度不亚于超新星爆发且更为罕见的爆发——千新星事件. 由于千新星事件产生的能量极高甚至超过了超新星爆发,其放出的电磁波更多的是非可见光波段的电磁波,因此千新星的爆发往往不如超新星爆发明亮,并且在剧烈的爆发后原来的双中子星将被一颗黑洞所取代.

目前理论认为,由于恒星中的慢中子俘获过程部分极慢宇宙中大部分超过Fe原子序数重元素都不是由恒星核聚变产生的.而超新星爆发这样的快中子俘获过程虽能产生重物质元素,但是能产生重物质的部分仅限于原恒星的核心.因此科学家们认为宇宙中的重元素主要来源于千新星爆发.

1992年1月，阿雷西博天文台的射电天文学家发现，最近发现的颗距离地球大大约500pc的毫秒脉冲星，在以一种意想不到的但很规律的方式变化其脉冲周期。对数据的仔细分析显示，它的脉冲周期在两个完全不同的时间尺度内波动——一个是67天，另一个是98天。脉冲周期的变化很小，不到，但重复的观测证实了它们的真实性。

这些波动是由脉冲星在太空中来回摇摆运动引起的多普勒效应产生的。但是什么引起了这种摆动?阿雷西博的研究组认为，这是两颗行星而不是一颗行星的引力组合产生的结果，这两颗行星的质量都约为地球质量的3倍!其中一-颗行星在距离脉冲星0.4天文单位的轨道上绕转，另一颗则距离脉冲星0.5天文单位。它们的轨道周期分别是67天和98天，与脉冲周期的波动相匹配。1994年4月， 该研究组宣布，进一步的观测不仅证实了他们的早期发现，还显示了存在第三个天体，其质量与地球的卫星月亮相似，轨道距离脉冲星仅0.2天文单位。

通常情况下,由于诞生中子星的过程中超新星爆发释放了巨大的冲击力,恒星系中理应不在存在行星.因此,中子星想要拥有行星只能另辟蹊径.一些行星可能是在超新星爆发后被中子星俘获的外来者;此外还有可能是在超新星爆发后产生的原行星盘中新诞生的;更为特殊的,在某些白矮星,中子星的双星系统中,在中子星的超强引力作用下白矮星表面的气体被中子星尽数剥离,只剩下一个固态的核心,从而成为一颗行星。

RX J185635−3754

RX J185635−3754，被认为是最靠近地球的已知中子星之一，距离约为130至200秒差距。它位于南天的皇冠座附近，靠近R CrA分子云的视线方向。与其他中子星不同，RX J185635−3754不显示出明显的脉冲信号，因此被归类为“静音”中子星（即不发射强烈的无线电波）,又称为“X射线暗弱的孤立中子星”（XDINS）。截至2023年3月,Lamost 发现了人类已知的第七颗X射线暗弱的孤立中子星 ,这七颗中子星又被称为”壮丽七星”

同时,RX J185635−3754是人类首次在可见光波段拍摄到的中子星.1997年,Walter 使用哈勃望远镜(HST)的宽视场行星照相机2(WFPC2),首次在可见光波段探测到了该中子星的光学对应体. 该中子星的光谱特征接近于热黑体辐射，表明其表面温度较高，估计为57 eV（约66万K）。.这一研究为中子星的内部物态方程提供了新的证据,并排除了某些基于传统模型的中子星状态方程.

PSR B1257+12

PR B1257+12, 在1992年1月由天文学家亚历山大·沃尔兹森（Aleksander Wolszczan）和戴尔·弗雷尔（Dale Frail）发现.它位于室女座，距离地球大约2300光年, 是上文提到过的带有行星的中子星,并且这颗脉冲星不仅拥有一颗行星，而是至少有三颗行星围绕其旋转。同时,它带有的行星也是人类首次发现的系外行星。这些行星被称为”脉冲星行星”,它们的发现标志着系外行星研究的开端。

XTE J1810−197

磁星 XTE J1810−197 是已知的少数具有无线电发射能力的磁星之一。它于2004年爆发时被首次发现，并在无线电波段发出脉冲。这颗磁星特别之处在于其无线电活动是间歇性的，经过一段时间的活跃后会变得“沉寂”，直到下一次爆发时才重新恢复无线电发射。

在2022年关于 XTE J1810−197 的研究中，Maan等人详细分析了这颗磁星在2018年末最新爆发后的频谱和时间演化。研究表明，磁星的无线电频谱从平坦逐渐变得更陡峭，且脉冲宽度随着时间缩小，伴随多次无线电亮度增强。尽管这些亮度变化没有对应的X射线活动，它们揭示了磁星无线电发射机制的复杂性，可能与磁层的动态变化有关.

SGR 1806-20

SGR 1806-20位于人马座,是人类目前观测到的磁场最强的磁星之一. 这颗磁星曾于大约50,000年前发生爆炸，它爆发后产生的辐射于2004年12月27日抵达地球,被称为巨型火焰事件.这次爆发以γ射线的光度计算的话,其绝对星等约为负29等，比满月还要亮. 这也是地球能观测的所有日外爆炸事件中，源头最亮的一次.

GW170817

GW170817,是LIGO和VIRGO(室女座干涉仪) 在2017年8月17日观测到的引力波事件，其出自于两个中子星并合在一起。这是人类首次探测到中子双星合并时产生的引力波. 这次中子星并合事件的后续电磁现象也被很多种不同波段的望远镜观测到，这标志着多信使天文学的新纪元已经来临。

中子星同黑洞一样是20世纪激动人心的重大发现，为人类探索自然开辟了新的领域，而且对现代物理学的发展产生了深远影响，成为上世纪60年代天文学的四大发现之一。

引力波研究

北京时间2017年10月16日22点，美国国家科学基金会召开新闻发布会，宣布激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件，国际引力波电磁对应体观测联盟发现了该引力波事件的电磁对应体。

重金属元素的来源

科学家们认为地球上的黄金、铂金和其他重金属元素可能来自于太阳系诞生前几亿年中子星碰撞的大爆炸。

长期以来普遍认为普通的元素如氧和碳，是在将近死亡的恒星爆炸变成新星时生成的，但是研究学者们感到困惑的是，数据显示这些恒星爆炸不能产生像在地球上这样大量存在的重金属元素。来自英国莱瑟斯特大学和瑞士巴塞尔大学的这些科学家们相信，答案存在于稀有的中子星对上。

中子星是生成新型的大恒星的超高密度的内核，它们所包含的物质有太阳那么多，但只有大约一座城市那么大。有时会发现两颗中子星互相绕对方沿轨道旋转，这是双星系的遗留物，在银河系中已知有4对。科学家们使用了在英国伦敦以北100英里的莱瑟斯特天体物理流体设备的超级计算机做模拟，如果使它们慢慢旋转着靠近发生爆炸，这样巨大的引力会造成什么结果。

进行一次这样的计算要耗费超级计算机几个星期的时间，而这只是在两个星球的一生中最后几个毫秒中发生的事情。结果显示，当中子星靠近时，巨大的力量将它们劈开，释放出足够的能量，可以将整个宇宙照亮几个毫秒。这个碰撞更可能是产生一个黑洞——空间中吞没光的裂口——并在发生核反应时喷射出灰，把质子射入轻元素的原子核而生成重元素。喷发出的物质和恒星间的气体和灰尘相混合、碰撞，构成了新的一代星体，慢慢使重金属散布在银河系中。

在宇宙中出现这种罕见的现象的几率大约是一百亿年以上，这和在已有五十亿年寿命的太阳系中对元素光谱所做的分析结果相符，为这种理论提供了有力的证据。令人惊奇的是所做的模型产生出的元素的数量和宇宙非常非常接近，它部分回答了世界从何而来这个问题。

2022年8月，中科院国家天文台研究人员发布EP-WXT探路者观测到的首批天体宽视场X射线图像和能谱。该仪器一次观测就能够同时探测到多个方向上的X射线源。其中，包括恒星级质量黑洞和中子星。