[科普中國]-奇妙的天體——中子星

一個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“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致的高溫下，恒星核會發(fā)生各種復雜的物理變化，逐漸演變成中子星的內(nèi)核。在這個收縮過程中，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)密度可以估計中子星的大小。中子星的質(zhì)量與太陽質(zhì)量在一個量級，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?？欤畈欢嘁幻胍磺Т?；磁場非常強，一些中子星的磁場強度是地球的一千萬億倍；表面溫度也非常高，可達到1000萬攝氏度，這個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，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狹義的概念。脈沖星是恒星生命結(jié)束時產(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，天體不再向外釋放脈沖輻射，會從一個隕滅的天體重新轉(zhuǎn)化為活性天體。它就會成為下一個即將誕生的天體的原生質(zhì)核。

由于對中子星的觀測數(shù)據(jù)有限，科學家對中子星的結(jié)構(gòu)有很多猜測。例如有科學家認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)量超過兩個太陽質(zhì)量時，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”。

中子星神奇的特點使得它具有很高的科研價值，它是檢驗基本物理規(guī)律的天然實驗室。例如我國的科學家發(fā)現(xiàn)兩個中子星合并后會形成磁星，其表面磁場比目前人類實驗室能制造出來的最強磁場還強上億倍?？茖W家通過這個發(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附屬中學第二分校一級教師王和意進行科學性把關(guān)。

新華網(wǎng)科普事業(yè)部

科普中國-科學原理一點通

聯(lián)合出品

更多精彩內(nèi)容，請下載科普中國客戶端。

本作品為“科普中國-科學原理一點通”原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載時務請注明出處。