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中子星是宇宙中最极端的事物之一。虽然只有一个直径几公里的星核,但质量却和恒星一样大。它的存在归功于超新星的猛烈爆炸。

恒星的存在,是由核聚变维系星体内部的平衡。恒星中10^45吨的热等离子体,在引力的作用下,向内部坍缩,使得物质紧密地挤压在一起,产生高温高压的整体环境,促发原子核发生聚变,氢聚变生成氦。

只要星核内部的聚变反应一直存在,就会释放出核辐射压力,这种向外的推力恰好抵消掉引力内向坍缩运动,维持着整个星体的平衡。但氢总会被耗尽。像太阳这样中等质量的恒星,在演变为白矮星之前,会经历一个漫长的阶段,氦会取代氢而成为聚变燃料,最终生成碳和氧。

宇宙烟花

但对于质量是太阳很多倍的恒星来说,当氦耗尽时,事情就变得不一样了。由于聚变燃料不够,导致产生的核辐射压力与引力的对抗处于下风,恒星内核进比以前压缩得更紧密,导致核心燃烧得更快,温度更高。由于聚变逐渐由内向外转变,恒星的外层气体快速升温而膨胀了数百倍。

红巨星

宇宙中重元素的形成,是一个先难后易的过程,碳燃烧成氖需要几个世纪,氖燃烧成氧需要一年,氧燃烧成硅需要几个月,硅燃烧成铁需要一天。当星核内部出现了铁,也就宣判了恒星的死亡。铁是恒星杀手,铁会吸收聚变能量,导致引力完全胜过核辐射压力,平衡被打破,核聚变突然停止,星核开始在引力作用下急剧坍缩。

中子星

坍塌的压力是如此之大,以至于将原子的电子挤到了原子核内,电子带负电,而质子带正电,最终电子和质子互相融合,形成电中性的中子。这些中子被紧紧地挤压在一起,原子核变为一团致密的中子核。如果将地球压缩为一个中子星,那将会是一个城市大小的纯核物质球。

超新星爆炸

不只是核心,整个星核的坍缩过程中,引力以接近光的速度猛烈拉扯外层,导致外层气体急速升温而引发爆炸,产生向外爆炸的冲击波,将恒星的其他部分弹射到太空中,这就是我们所说的超新星爆炸,耀眼光芒可以穿透整个宇宙。

恒星残骸

超新星爆炸后剩下的残骸便是中子星。质量一百万倍于地球的中子星,直径仅25公里。它的密度是如此之大,如果将人类压缩为中子星物质,体积大概为一立方厘米。一块方糖大小的中子星物质,大约重十亿吨,换句话说,这相当于一块糖果里的珠穆朗玛峰。

中子星的引力仅次于黑洞,如果密度再大一点,它就会变成黑洞。光线在它周围弯曲,这意味着你可以看到它的正面和部分背面。它的表面达到了万摄氏度,而太阳的表面只有区区摄氏度。

窥探内部

中子星的外壳是固态的,地壳非常坚硬,是由超新星遗留的铁构成的。这些铁原子被挤在一起,形成一个水晶球体。在更深的地方,引力把原子核挤压得更紧。质子越来越少,大部分都与电子合并成中子。当到达地壳的底部,也就是星核时,原子核被彻底挤在一起,质子和中子重新排列,形成长圆柱体或薄片,物理学家称之为核面。

核面的密度如此之大,它可能是宇宙中最坚固的物质,基本上是牢不可破的。在中子星内部甚至可以形成几厘米高的山脉,但其质量是喜马拉雅山的许多倍。虽然并不确定物质被极限挤压时的性质是什么,但中子核物质可能会溶解成夸克的海洋,也就是所谓的夸克-胶子等离子体。其中一些夸克可能会变成奇怪的粒子,形成一种具有极端性质的奇怪物质,没有人能确切知道答案,可能是我们一直在找寻的奇异物质。

宇宙电池

当超新星爆炸坍缩为中子星时,体积减少,而密度增大,相当于同等力矩条件下,力臂短的更容易推动物体,因此在外层爆炸的冲击力推动下,中子星开始极速旋转,自转速度到达惊人的一秒钟圈。

由于磁场随着星核的坍缩而同步为压缩,在中子星表面形成5×10^12高斯强度的磁场,以至于磁力线被拉直,中子星表面的电子沿着磁力线高速运动,随着星体的自转,以几乎垂直的角度被抛射到外层空间中,这就产生了脉冲。

银河系中已知的中子星大约有颗。它产生的磁场是宇宙中最强的,比地球磁场强10^13倍。中子星在时空中持续释放能量,它的轨道会衰减,当两个中子星相互碰撞时,会喷发出内部物质,以至于形成重金属原子。这不是核聚变,而是富含中子的重物质分解后重新组合,这是宇宙中大多数重元素的起源,比如金、铀和铂。

后记

中子星碰撞

两颗中子星碰撞后坍塌成为一个黑洞,恒星最后的遗留物质彻底消亡。恒星不仅需要燃烧自己来产生元素,它们还得贡献自己的残骸。数百万年后,这些重金属原子将回到星系中,在引力作用下形成星云,最终成为恒星和行星。这些原子经过亿年的旅程汇聚在一起,形成了世界和生命,循环往复。




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