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中子星物质凭什么1小勺就有几十亿吨,它真的存在吗?

很多朋友都对这个问题有所疑惑,认为是科学家们忽悠人。凭着生活常识来理解,认为这个世界怎么可能有这么重的物质呢?只是存在于想象中罢了。

但事实是,中子星已经发现数千颗了,它们在这个宇宙是确确实实地存在着。当然由于中子星太小,直径只有二三十千米,还没有一个中小城市大。冥王星直径2376千米,在现代最厉害的哈勃空间望远镜里,看到的也只是几个模模糊糊的像素,冥王星距离我们只有60亿千米,也就是约0.0006光年,而距离我们最近的中子星都有几百光年,当然就看不到啦。

那么,人们又是怎样发现并证实中子星的存在呢?事实上,科学家们比我们想象要厉害多了,这些特殊天体在没有发现前,早就被理论预言存在了。预言依据的理论就是爱因斯坦创立的相对论。广义相对论的引力场论,认为在极端的引力压下,某些天体会被压缩特殊极端致密的天体,后来人们把这些特殊的天体叫做白矮星、中子星、黑洞。

科学家们计算出了白矮星、中子星、黑洞的形成条件。

太阳质量8倍以下的恒星,在演化晚期会膨胀为红巨星,分成外壳和内核两个部分,外壳会渐渐消散在太空,而内核会压缩成一个致密的白矮星。这个白矮星的质量约在太阳的0.6~1.44倍之间,超过这个质量就维持不了现状,就会进一步坍缩。

因此1.44倍太阳质量是白矮星的一个极限,这个理论是印度裔美籍物理学家苏布拉马尼扬・钱德拉塞卡创立的,因此这个极限就叫钱德拉塞卡极限。由于白矮星、中子星、黑洞都是极端引力场天体,因此一旦形成,会对靠近自己的天体物质或者恒星形成拉扯吸附作用,它们的质量就会不断增大。当白矮星质量到达1.44倍太阳质量界限时,其电子简并压就支撑不住自身引力压力了,就会发生爆炸,然后形成一颗质量大于太阳1.44倍的中子星。

因此中子星的质量下限是太阳的1.44倍,上限现在没有一个准确数据,要根据中子星的旋转状态,大约在太阳质量2.16~3.2倍之间。这个上限叫做奥本海默极限,这个理论是犹太裔美籍物理学家尤利乌斯・罗伯特・奥本海默创立的。

中子星超过奥本海默极限,就会坍缩成一个黑洞。一般认为,超过太阳质量8倍以上的恒星,死亡时会发生超新星大爆炸,核心会留下一个质量在1.44倍太阳质量以下的中子星,而30倍以上太阳质量的恒星,大爆炸以后一般核心留下的质量会超过奥本海默极限,因此会直接坍缩成一个黑洞。

什么力量促成了这些特殊天体形成呢?

这就得说到泡利不相容原理了。这个理论是瑞士籍奥地利物理学家沃尔夫冈・泡利创立的,是微观粒子运动的基本规律之一。这个理论认为,在费米子系统中,不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同状态,简单地说,就是相同的粒子不能挤在一起,它们之间有一种相互排斥力,这种力就叫简并压。

粒子物理学已经发现我们世界存在几百种粒子,这些粒子分为两大类,一类是费米子,一类是玻色子。电子、中子、质子、夸克等能形成物质实体的粒子都是费米子,因此每一种费米子之间都存在着简并压,而且一级比一级更厉害。

在我们平常生活中,看到的所有物质都是由原子和分子组成,这些东西看起来有的柔软虚空,有的坚硬致密,但不管多么坚硬致密的物质,在高倍电子显微镜下,都是虚空的,空间大于实体,这是因为原子和分子间有斥力,这种力的本质是电磁作用力。

只要是依靠电磁作用力支撑引力压力的物质,就是我们通常认知由原子分子组成的物质,而依靠简并压支撑引力压力的物质已经不是正常物质了。

巨大的压力才能够与简并压抗衡。

在一定压强下,这些物质就会被压缩。在地球上,要取得巨大压强是很难的,地心压力是地球上自然压力最高处,达到海平面大气压的360万倍,但这种压力只能把物质压到很密实状态,物质依然是原子和分子组成的。如在实验室制造的瞬间数百万高压下,可以把氢转化为金属氢,但依然还是氢分子组成,支撑着这种压力的依然是电磁作用力,不属于简并压。

只有当压力极大时,分子被压垮,原子也被压垮,这个时候才是依靠简并压与外在的引力压力抗衡。白矮星就是如此。当太阳类演化后期,巨大的质量向外膨胀时,核心巨大压力会把核聚变完成后剩下的一个碳球压缩到极其致密状态,这个碳球只有地球大小,却有太阳质量的0.6倍左右,这时的引力压力达到了地球海平面的10亿倍,物质再也无法保持原子分子组成形态了。

原子被压垮了,但原子核还保持完好,只是外围电子被压得游离了原来的能级和轨道,成为自由电子,相互靠近,这个时候电子简并压就起作用了,电子与电子之间的斥力,让同类不相互靠近,这就是电子简并压,依靠这种压力维持着物质一个稳定状态。这时的原子核荡漾在这些自由电子的海洋中,依然惬意地保持着完整。

白矮星上的物质已经不属于我们认知118种元素组成的任何物质,原子与原子间再也没有了空隙,原子本身电子与原子核的空间也被压缩了,这种物质叫做电子简并态物质,其密度达到10吨左右/cm^3。

中子简并压支撑着中子简并态物质。

当白矮星吸积壮大自己,让自身质量达到太阳的1.44倍时,这时天体内部压力达到了10^28个大气压,也就是相当地球海平面大气压的1万亿亿亿倍,这时电子简并压就再也支撑不住巨大的引力压了,电子被完全压进了原子核,与带正电的质子中和成为中性的中子,与原来的中子混合在一起,整个星球就成为一个由中子挤在一起的巨大中子核。

我们知道原子核的密度为10^14g/cm^3,也就是1亿吨/cm^3,而中子星的密度有时候达到10亿吨/cm^3,就是说比原子核密度还大。这说明中子星物质比原子核还要致密,中子之间的空间比原子核质子和中子之间的空间还小。但中子星就是依靠中子与中子的相互排斥力,勉强维持着有形的物质状态,这种物质就叫中子简并态物质,不属于我们认知地球上的任何元素物质形态。

理论上,还存在一种比中子简并压更大的简并压,这就是夸克简并压。如果宇宙中存在夸克星,其上面的物质密度比中子星密度还要大上亿倍。但迄今为止,没有发现夸克星的存在。一般认为,中子星质量大于奥贝海默极限,就会坍缩成一个黑洞,所有物质都被压缩到中心那个无限小的奇点上,因此那里的密度无限大,温度无限高,并与质量成正比在奇点周围形成一个史瓦西半径为界限的球状无限曲率空间,在这个空间,一切物质都无法逃逸,包括光。

现在我们知道了这些极端天体形成的过程和它们的密度,就应该明白中子星为何一小勺物质就有几十亿吨重了吧?其实简单理解就是一个比太阳质量还大,半径有几十万千米,缩小到只有10来千米,就可以想象这种天体物质的密度了。其实我们把地球物质送到那里,也有那么重,如果把全球七十亿人口全部送到中子星上面,在那里强大重力压缩下,只有不到一个立方厘米。

一个立方厘米有多大?就是小拇指尖尖这么大。

中子星这么小,又是如何发现的呢?

中子星半径只有十来千米,如果人们在这种星球上骑自行车,不要一天就能转一圈。而且现在发现的中子星距离我们最近都有数百上千光年,而人类的观测能力,比木星还大距离太阳系最近的行星都看不见,怎么能够发现这么远的小球呢?

原来中子星有几大特点,除了本身强大的引力压力,其表面温度可达1000亿~10000亿K,磁场强度达到20万亿Gs(地球磁场为0.7Gs),能量辐射达到太阳的100万倍,会发出强大的射电源。

中子星还会高速旋转,一般都有每秒几百圈,最快的中子星可达2000~3000圈。由于中子星的自转轴与磁极不重合,这样其强大能量射线就从磁极以某个角度向太空发射,随着星体旋转,就像灯塔一样扫过宇宙天际,但扫到地球时,就会被射电望远镜捕捉到。

1932年,当中子被发现后不久,前苏联物理学家朗道就预言了宇宙中可能有中子星存在,但一直未能证实。1967年,天文学家们收到宇宙中传来的一种奇怪电波,这种电波就像人的脉搏跳动,很有规律,由此引起世界轰动,以为收到了外星人发来的信号,因为这实在太像人为控制的信号了。

后来,英国天文学家休伊什弄清了这种奇怪电波是由某种特殊天体发出,人们把这种天体命名为脉冲星,而脉冲星就是中子星旋转发出的脉冲,扫过地球被人们所发现的中子星。由此,休伊什获得了1974年诺贝尔奖。

中子星不但真实存在,而且已经在为人类服务。

正是由于中子星强大能量辐射和自转射电脉冲,被人们不断发现。科学家们估计在银河系至少有20万颗中子星,现在已经发现了几千颗。我国建成的贵州天眼,是目前世界上最大的射电望远镜,2016年建成开始试运行,短短几年,就已经新发现了240多颗脉冲星(截止到2020年11月)。

现在,人类还无法看到真实的中子星,更无法接近这种极端天体,但中子星的发现对人类认识和观测宇宙起着重要作用,特别是脉冲星稳定精准有规律的脉冲信号,就像茫茫宇宙中的灯塔,成为人类星际远航的导航定位准星。

结论:中子星真实存在于宇宙中,上面的物质不是我们认知的普通物质,而是中子简并态物质,密度超过原子核密度,达到1~10亿吨/cm^3。

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