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一小匙中子星物质来到地球,会在大气层烧完,还是会砸穿地球?

本文基于回答网友类似问题。

中子星物质离不开中子星环境,更不会来到地球,因此不存在烧不烧得完的问题,这个问题无解。

中子星不属于普通恒星范畴,是恒星死亡后的残骸,也可以说是尸骸。恒星尸骸有4种,即黑矮星、白矮星、中子星、黑洞。黑矮星是小质量恒星红矮星的尸骸,由于红矮星寿命超长,至今还没有这种尸骸存在;白矮星是太阳类中小恒星的尸骸,宇宙中有不少,大约占恒星总数的约10%;中子星是太阳质量8~30倍中大质量恒星的尸骸,黑洞是太阳质量30~40倍以上恒星死亡后的尸骸。

白矮星和中子星物质是特殊的简并态物质

所谓简并态,就是极端压力下,组成地球常态物质的原子被压垮了,成为一种特别的致密物质。原子本来是由原子核和外围电子组成的,原子核占据了原子99.96%的质量,体积却只有原子的数千亿到万亿分之一。

这就是说原子核和电子外壳之间,有一个巨大的空间,这样原子一被压垮,物质就变得非常致密。这就是白矮星和中子星物质密度极大的原因。

根据量子力学的泡利不相容原理,费米子粒子都有相互排斥的性质,就像小孩子玩耍不愿意挤在一起,一靠近就相互排斥。电子、质子、中子都属于费米子粒子,因此当原子电子外壳被压垮后,这些基本粒子就相互排斥,尽量不让大家相互靠拢,这种相互排斥会形成一种压力,就叫简并压。

简并压越到深层次越大,白矮星是靠电子简并压支撑着巨大引力压的,也就是原子的电子外壳还存在,只是被压缩小了,压缩到一定程度,电子与电子之间不相容就形成了某种支撑力,抵御住了引力压力,让原子核与电子之间还保持着一定空间,原子核就还保持完整。这样,白矮星的密度就只有1~10吨/cm^3,相对中子星就要差一大截。

当白矮星达到钱德拉塞卡极限,也就是太阳质量的1.44倍时,电子简并压就无法支撑增大的引力压了,电子简并压就被摧毁了,电子与原子核之间的空间就没有了,电子无可奈何地被压缩进了原子核。

电子带负电,原子核里的质子带正电,原子外围电子数与原子核质子数正好一致,这样正负电荷一中和,质子也变成了中子。原子核本来就是中子和质子依靠强力捆绑在一起的,现在质子也变成了中子,整个星球就变成了全部由中子组成的一个大中子核,由此,这个星球就是中子星。

中子之间有着比电子更强大的中子简并压,勉强支撑着中子星的形态。因此中子星的密度就相当原子核,甚至比原子核还要紧密,这种物质就被叫做中子简并态物质,

白矮星体积约有地球大小,质量在太阳0.5倍以上到1.44倍以下;中子星质量达到了太阳的1.44倍以上到3倍左右,体积半径却只有10km左右,因此密度就比白矮星高多了,达到10亿吨左右1立方厘米。

当中子星的质量更大,达到奥本海默极限,也就是约3个太阳质量以上时,这种依靠中子之间的斥力形成的中子简并压也就支撑不住强大的引力压了,就会突然被压缩,专业的说法就是坍缩或塌陷,成为一颗更深层次简并压支撑的夸克星,或者直接坍缩成一个黑洞。

迄今为止,人们并没有发现夸克星的存在,因此一般认为中子星质量超越奥本海默极限,就会直接坍缩成一个黑洞。

所谓钱德拉塞克极限和奥本海默极限,以及泡利不相容原理,在过去文章中已多次有过介绍,这里就不赘述了。

中子简并态物质不可能脱离中子星存在

从上述白矮星和中子星形成的条件,我们可以得出不管是电子简并态物质还是中子简并态物质,都不可能脱离它们存在的条件而独立存在。因为一旦脱离了特定的条件,它们存在的巨大引力压就不存在了,这些物质就无法保持简并压,而是会迅速地膨大恢复到原子状态,成为我们地球上存在的由中性原子组成的正常物质。

而白矮星或中子星,都是环境极其恶劣的天体,从目前人类掌握的科学技术来说,只能远远地观测,而无法靠近。尤其是中子星,是一种极其可怕的天体,其引力仅次于黑洞,表面重力可达地球的数千亿倍,逃逸速度最高需要达到一半光速,也就是15万km/s。

不要说飞船,如果一个人被中子星引力捕获拉拽过去,最终高速撞上中子星表面的能量可达数亿吨烈性炸药的威力,也就是约2万颗广岛原子弹威力。即便这种恐怖威力的爆炸,在中子星上也会被其强大的重力所压制,掀起的波澜高度还不如一个尘埃。

中子星的温度可达数千亿到上万亿度,表面大气压比地球地心压力大10^21倍(10万亿亿倍),磁场比地球强大数十亿倍。由于中子星继承了原恒星的角动量,一般都高速旋转,最快每秒可达数千转。由于其磁极与自转轴有一定的偏离角度,因此强大的电磁脉冲就像旋转的灯塔一样,不停地向太空扫射,扫过地球,就被射电望远镜所捕捉,就成为被发现的脉冲星。

因此所谓脉冲星,就是中子星扫过太空的电磁脉冲信号被人类捕捉后的名称。

中子星在这样强大的重力和压强等极端条件下,表面光滑得连一个灰尘突起都没有,怎么会有中子星物质脱落呢?

中子简并态物质脱离中子星后的变化

迄今为止,比较确定的只有一种方法能够让中子简并态物质脱离中子星,这就是中子星与中子星相撞。至于中子星通过吸积质量达到上限,会不会发生爆炸,将中子简并态物质抛离中子星,迄今还没有这方面的观测数据和研究数据。

2017年8月17日,科学家们发现距离我们1.3亿光年的两颗中子星相撞引发的引力波,并观测到了强大的伽马射线暴。通过科学建模,科学家们认为这个编号为GW170817的引力波事件,两颗中子星撞下的碎块,形成了了一些氢氦等轻元素,以及金银铜铁钨镍铅等重金属元素物质,其中的黄金就有300个地球质量之多。

不要以为300个地球质量很大,对于中子星的损失来说很小。中子星的质量下限为1.44倍太阳质量,而地球质量只有太阳的33万分之一,两颗中子星相撞撞下了300个地球质量,也不过它们质量总和的数千分之一而已。

可见,中子简并态物质一脱离中子星,失去了强大引力压的束缚,就会变成常态物质。但它们不是一脱离就突然变成的,而是有一个过程。首先,被撞击脱离的中子简并态物质,一离开中子星引力压力的束缚,就会急剧膨胀,膨胀体积达到原先的数千到上万倍,这种膨胀当然会伴随着爆炸,这是第一次爆炸。

第一次爆炸后,此时的物质还不是常态物质,只是成团的中子集合群,依然是中子态。

此时它们内部正发生着贝塔衰变。这个过程大概需要15分钟。当这个过程完成后,会发生更大的膨胀,也就是更加猛烈的爆炸,在爆炸中物质恢复到常态,形成了由中性原子组成,各种地球上存在的物质了。

一般认为,地球上的黄金等贵重金属,主要就是来自宇宙这种事件。这些贵重金属飘荡在宇宙中,在地球形成时凝聚进入地球深处,或以陨石雨轰击方式进入到地壳中。到了今天,这些漂浮在太空的贵金属,还会以流星陨石的方式掉落到地球上。

因此,中子星物质不可能来到地球大气层

说到这里,大概大家应该已经明白了,中子星物质为啥不可能进入地球大气层了吧?现在发现,距离我们最近的中子星,也有数百到上千光年,中子星物质脱离中子星的条件只有中子星相撞,撞出的碎块15分钟就会衰变成正常物质,因此地球上空怎么可能会有那种极高密度的中子简并态物质光临呢?

既然没有,一定要说进入大气层会怎么样,那就没多少意思了。但有些人硬要坚持穷追不舍,那么我就幻想一下,真有那么一汤匙中子星物质在大气层衰变,会是个什么后果呢?

那肯定就不是烧不烧得完中子星物质,而是会不会把地球烧完的问题了。

我们假定这块中子简并态物质为1立方厘米,一般来说,中子星物质发生衰变转化为物质,会发生质量亏损,这个亏损和核裂变差不多,约为0.1%。若这个中子星物质密度在10亿吨/cm^3,衰变转化为常态物质的过程亏损质量则约100万吨。

亏损的物质会转化为能量释放出来,根据爱因斯坦质能方程E=MC^2来计算,这个能量约为9*10^25J(焦耳),相当2.15亿亿吨TNT炸药的爆炸威力(每吨炸药能量约为4184000000J),也就是约16500亿颗广岛原子弹(每颗约13000吨TNT当量)同时爆炸的威力。

世界各国现在拥有的核弹头加起来总当量也就约100亿吨TNT当量,这1立方厘米中子星物质释放出来的能量相当人类拥有全部核弹总量的2亿多倍,或相当于215颗6500万年前撞击地球,导致恐龙灭绝小行星的撞击威力,这样的爆炸,菌类恐怕都被炸没了,就别说人类了。

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