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奇妙的天体——中子星

2021-05-22 16:21 科普中国网   

一个小小的汤勺有可能比地球上最大的金字塔还重吗?如果这个“汤勺”是由中子星上的物质构成的,那么这件事就是有可能的。中子星是一种异常致密的星体,一汤勺的中子星物质就可能有几亿吨重。那么中子星究竟为什么会有这么高的密度呢?

中子星是在老年恒星的中心逐渐形成的。如果这颗老年恒星的质量约是太阳的10倍,那么这颗恒星就有可能变成中子星。反之则有可能变成白矮星。在恒星演化的后期,恒星外壳膨胀,反作用力促使恒星核收缩。在巨大的压力及由此导致的高温下,恒星核会发生各种复杂的物理变化,逐渐演变成中子星的内核。在这个收缩过程中,中子星受到的压力非常大,电子无法承受这么大的压力,被挤压到原子核中,与质子结合在一起形成了中子,导致原子核中的物质仅仅剩下了中子,而中子星就是由无数个致密的原子核构成的。我们可以将中子星称为巨大的原子核。

那么中子星有多大多重呢?中子的大小大约是10-13厘米,质量大约是10-27千克,如果中子星物质态的相邻中子之间相距大约就是中子的大小,那么中子物质态的密度就是每立方厘米1012千克。中子星的平均密度在3.7×1011至5.9×1011千克每立方厘米之间。通过中子态密度可以估计中子星的大小。中子星的质量与太阳质量在一个量级,即2×1030千克,如果中子星的半径大约是10千米,那么它的体积大约是1018立方厘米,这样,这颗中子星的密度正好就是中子物质的密度。因此,中子星的半径大约是10千米。

除了密度非常大之外,中子星神奇的结构还使得它具有很多神奇特性:自转速度非常快,差不多一秒一千次;磁场非常强,一些中子星的磁场强度是地球的一千万亿倍;表面温度也非常高,可达到1000万摄氏度,这个温度是太阳表面温度的1000倍。

一些中子星还可以向外发射脉冲信号,这类天体被称为“脉冲星”。脉冲星的本质是中子星,但是只是中子星的一个狭义的概念。脉冲星是恒星生命结束时产生的,是开放的陨灭态天体,中子星则属于闭合的活性天体。但是二者在一定条件下可以相互转化。中子星从闭合态转为开放态后,这颗中子星或者以中子星为内核的活性天体就会走向陨灭。一颗脉冲星也可能在某种条件下从开放态转变为闭合态。这时,天体不再向外释放脉冲辐射,会从一个陨灭的天体重新转化为活性天体。它就会成为下一个即将诞生的天体的原生质核。

由于对中子星的观测数据有限,科学家对中子星的结构有很多猜测。例如有科学家认为可能还存在比中子星密度更大的星体——夸克星,即中子星的质量超过两个太阳质量时,物质态就不再是简并中子气体,而是夸克气体。也就是说,中子的结构也被破坏了,中子和中子之间不再存在明显的界限,它们内部的夸克变成气体中的“自由粒子”。

中子星神奇的特点使得它具有很高的科研价值,它是检验基本物理规律的天然实验室。例如我国的科学家发现两个中子星合并后会形成磁星,其表面磁场比目前人类实验室能制造出来的最强磁场还强上亿倍。科学家通过这个发现排除了一批核物质模型,为未来的引力波探测和中子星研究提供了新方向。

本文由中国人民大学附属中学第二分校一级教师王和意进行科学性把关。

 

责任编辑: 4126TJ

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