中子星的密度 奇妙的天体:中子星

2019-03-29 - 中子星

中子星是除黑洞外密度最大的星体(根据最新的假说,在中子星和黑洞之间加入一种理论上的星体:夸克星),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。

中子星的密度 奇妙的天体:中子星
中子星的密度 奇妙的天体:中子星

中子星(neutron star),为除黑洞外密度最大的星体,是恒星演化到末期,经由重力崩溃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。

中子星的密度 奇妙的天体:中子星
中子星的密度 奇妙的天体:中子星

中子星是除黑洞外密度最大的星体(根据最新的假说,在中子星和黑洞之间加入一种理论上的星体:夸克星),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。

中子星的密度 奇妙的天体:中子星
中子星的密度 奇妙的天体:中子星

中子星的密度为每立方厘米8^14~10^15克,相当于每立方厘米重1亿吨以上。此密度也就是原子核的密度,是水的密度的一百万亿倍。对比起白矮星的几十吨/立方厘米,后者似乎又不值一提了。如果把地球压缩成这样,地球的直径将只有22米!事实上,中子星的密度是如此之大,半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。

中子星的密度 奇妙的天体:中子星

同白矮星一样,中子星是处于演化后期的恒星,它也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,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。但是,中子星与白矮星的区别,不只是生成它们的恒星质量不同。它们的物质存在状态是完全不同的。

简单地说,白矮星的密度虽然大,但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内:电子还是电子,原子核还是原子核,原子结构完整。而在中子星里,压力是如此之大,白矮星中的电子简并压再也承受不起了:电子被压缩到原子核中,同质子中和为中子,使原子变得仅由中子组成,中子简并压支撑住了中子星,阻止它进一步压缩。

而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说,中子星就是一个巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的质量非常大以至于巨大的引力让光线都是呈抛物线挣脱。

在形成的过程方面,中子星同白矮星是非常类似的。当恒星外壳向外膨胀时,它的核受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化,最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命。这就是天文学中著名的“超新星爆发”。

一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35到2.1倍,半径则在10至20公里之间(质量越大半径收缩得越大),也就是太阳半径的30,000至70,000分之一。因此,中子星的密度在每立方厘米克至克间,此密度大约是原子核的密度。 致密恒星的质量低于1.44倍太阳质量,则可能是白矮星,但质量大于奥本海默-沃尔可夫极限(1.5-3.0倍太阳质量)的中子星会继续发生引力坍缩,则无可避免的将产生黑洞。

天文望远镜发现了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。这颗中子星的直径约10千米,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。

天文学家正是通过这种现象发现了它。

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。

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