中子星到底什么样?体积不大密度惊人!

在银河系中,平均每百颗恒星中就有一颗是“中子”品种。这些物体密度如此之大,它们的内部挤压在一起,直到它们看起来像一个巨大的原子核。

但它可不是一个寻常的原子,因为它完全由中子组成。

要了解这些中子来自哪里,我们需要一步步走进中子星,并了解巨大的引力场如何在其内部产生影响。

中子星是如何形成的?

在每颗恒星深处,一场战争正在肆虐。在重力与核反应产生的热量的共同作用下,形成一个相对稳定的等离子体球。

这个“核烤箱”迟随着漫长时间的流逝逐渐冷却。对于质量约为我们太阳10到30倍的恒星来说,热量的损失使其逐步冷却的外部气体在重力的牵引下迅速下沉,直到最后猛烈冲击并进入正在形成的密集的热铁堆中。

冲击波产生了大量的能量, 动能转化为热能并向外爆发引发超新星爆炸,并将热气体和辐射波推入宇宙。最终只剩下核心的铁球,一个比太阳重一点的球体,它被塞进一个只有大约11公里(6.8英里)跨度的空间里,其表面被捕获的氢气和氦气组成的薄薄(约一米厚)的气体层覆盖。

对于一个可观察的结构来说,这个球的重力极其疯狂。如果你站在这个与曼哈顿差不多大的铁块的表面,你会体验到大约1000亿高斯的引力。你站不了多久。

中子星内部是什么?

在你的脚下,一些令人难以置信的物理现象正在发生。无数正电荷集体推力产生的巨大压力导致铁核落入一个巨大的晶体结构中。

电子烟雾在晶体的间隙中嗡嗡作响,强烈的压力使它们危险地接近原子核。多亏了量子物理学定律,剧烈的压缩使电子并入质子转化成中子和中微子。中子是一种亚原子粒子,其质量类似于质子,但不带电荷,中微子几乎是无质量的中性亚原子粒子。

中子星内部有哪些粒子?

深入到结构中,我们可能会发现粒子如此之重,它们开始崩塌。理论表明,中子在这个令人惊叹的空间中“漂移”成一种浓稠的气体,在压力下分开,这不是由它们的电荷决定的,而是由一条规则决定的,即这种性质的相同粒子不能同时占据相同的空间。

在这个这颗死星大约一公里内部,现在几乎全部由中子雾组成,偶尔会存在质子。核心是如此之近,以至于它们可以相互刷牙。

随着重力的稳步增加,曾经可辨认的原子结构形成了奇异的排列——让人联想到意大利面条和千层面——由强核力和排斥力的平衡形成。

深入到中子星的中心,物理现象变得更奇怪了。成对排列的中子(以及尚未转变的少量质子)形成新的身份,使它们能够打破各种先前的定律,形成奇怪的电流。

在最中心位置,重力可能会迫使中子失去所有的特性,行成了基本粒子“糊状物”——夸克。

伴随着更加紧密的挤压,这些夸克彼此重叠,最终坍缩成一个我们至今无法对其进行建模的致密点。换句话说,它将变成一个黑洞。

扩展阅读

中子星大致分成三层,核心部分因压力更大,由超子组成;中间层则是自由中子,表面因中子进行β衰变成电子、质子、中微子。因具有原子核的某些包括密度在内的性质。中子星密度极高,一立方厘米的物质便可重达十亿吨。因此,在流行的科学文献中,中子星有时被称为巨型原子核。然而在其他方面,中子星和真正的原子核是很不一样的。

例如,原子核是靠强相互作用结合在一起,而中子星是靠引力相互作用结合在一起。根据当今主流理论,把它们看作天体会更正确一些。

一些形象化的比较

  • 一块方糖大小的中子星物质质量与地球人口的总质量相等。
  • 如果把我们的太阳压缩到中子星的密度,那么它的体积将只有珠穆朗玛峰般大小。
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