[科普中國]-奇妙的天體——中子星

一個(gè)小小的湯勺有可能比地球上最大的金字塔還重嗎？如果這個(gè)“湯勺”是由中子星上的物質(zhì)構(gòu)成的，那么這件事就是有可能的。中子星是一種異常致密的星體，一湯勺的中子星物質(zhì)就可能有幾億噸重。那么中子星究竟為什么會(huì)有這么高的密度呢？

中子星是在老年恒星的中心逐漸形成的。如果這顆老年恒星的質(zhì)量約是太陽的10倍，那么這顆恒星就有可能變成中子星。反之則有可能變成白矮星。在恒星演化的后期，恒星外殼膨脹，反作用力促使恒星核收縮。在巨大的壓力及由此導(dǎo)致的高溫下，恒星核會(huì)發(fā)生各種復(fù)雜的物理變化，逐漸演變成中子星的內(nèi)核。在這個(gè)收縮過程中，中子星受到的壓力非常大，電子無法承受這么大的壓力，被擠壓到原子核中，與質(zhì)子結(jié)合在一起形成了中子，導(dǎo)致原子核中的物質(zhì)僅僅剩下了中子，而中子星就是由無數(shù)個(gè)致密的原子核構(gòu)成的。我們可以將中子星稱為巨大的原子核。

那么中子星有多大多重呢？中子的大小大約是10-13厘米，質(zhì)量大約是10-27千克，如果中子星物質(zhì)態(tài)的相鄰中子之間相距大約就是中子的大小，那么中子物質(zhì)態(tài)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間。通過中子態(tài)密度可以估計(jì)中子星的大小。中子星的質(zhì)量與太陽質(zhì)量在一個(gè)量級(jí)，即2×1030千克，如果中子星的半徑大約是10千米，那么它的體積大約是1018立方厘米，這樣，這顆中子星的密度正好就是中子物質(zhì)的密度。因此，中子星的半徑大約是10千米。

除了密度非常大之外，中子星神奇的結(jié)構(gòu)還使得它具有很多神奇特性：自轉(zhuǎn)速度非?？?，差不多一秒一千次；磁場非常強(qiáng)，一些中子星的磁場強(qiáng)度是地球的一千萬億倍；表面溫度也非常高，可達(dá)到1000萬攝氏度，這個(gè)溫度是太陽表面溫度的1000倍。

一些中子星還可以向外發(fā)射脈沖信號(hào)，這類天體被稱為“脈沖星”。脈沖星的本質(zhì)是中子星，但是只是中子星的一個(gè)狹義的概念。脈沖星是恒星生命結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的，是開放的隕滅態(tài)天體，中子星則屬于閉合的活性天體。但是二者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。中子星從閉合態(tài)轉(zhuǎn)為開放態(tài)后，這顆中子星或者以中子星為內(nèi)核的活性天體就會(huì)走向隕滅。一顆脈沖星也可能在某種條件下從開放態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合態(tài)。這時(shí)，天體不再向外釋放脈沖輻射，會(huì)從一個(gè)隕滅的天體重新轉(zhuǎn)化為活性天體。它就會(huì)成為下一個(gè)即將誕生的天體的原生質(zhì)核。

由于對(duì)中子星的觀測數(shù)據(jù)有限，科學(xué)家對(duì)中子星的結(jié)構(gòu)有很多猜測。例如有科學(xué)家認(rèn)為可能還存在比中子星密度更大的星體——夸克星，即中子星的質(zhì)量超過兩個(gè)太陽質(zhì)量時(shí)，物質(zhì)態(tài)就不再是簡并中子氣體，而是夸克氣體。也就是說，中子的結(jié)構(gòu)也被破壞了，中子和中子之間不再存在明顯的界限，它們內(nèi)部的夸克變成氣體中的“自由粒子”。

中子星神奇的特點(diǎn)使得它具有很高的科研價(jià)值，它是檢驗(yàn)基本物理規(guī)律的天然實(shí)驗(yàn)室。例如我國的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)兩個(gè)中子星合并后會(huì)形成磁星，其表面磁場比目前人類實(shí)驗(yàn)室能制造出來的最強(qiáng)磁場還強(qiáng)上億倍?？茖W(xué)家通過這個(gè)發(fā)現(xiàn)排除了一批核物質(zhì)模型，為未來的引力波探測和中子星研究提供了新方向。

本文由中國人民大學(xué)附屬中學(xué)第二分校一級(jí)教師王和意進(jìn)行科學(xué)性把關(guān)。

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