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中子星是如何產生的?
中子星其實是恆星演變過程中的產物,具體來是說是8倍太陽質量的特大質量恆星在演化過程中的其中一種可能的結果。
我們都知道恆星是通過核聚變反應來燃燒的,其實這就好比火爐,只不過火爐是燒炭的,而恆星由於自身溫度極其高燒的是原子核。比如:太陽核心就有1500萬度。因此,恆星是一個等離子體,其中的原子核和電子並沒有構成溫度的原子,而是到底出亂竄,各玩各的,而核聚變主要是在原子核之間進行。
宇宙中含量最高的是氫和氦,其餘的元素還不足1%,尤其是氫尤其,恆星通常主要由氫構成,而氫的核反應條件還比氦的核反應條件簡單得多。因此,恆星會先燒氫原子核,然後燒完氫原子之後,如果質量夠大,還能繼續燒氦,燒完氦之後,如果質量還夠大,就會繼續燒碳和氧,一直順著元素周期表往下進行。
最終,核心進行的核聚變反應是生成鐵原子核的,而鐵原子核十分穩定,其他原子核核聚變都是釋放能量,而鐵的核聚變需要大量的能量才能發生,放出的能量還比輸入的能量少,也就是入不敷出了,所以鐵原子核的核聚變的核聚變反應並不容易進行,我們把這個叫做比結合能很大。
我們一直都是把視角聚焦在恆星的整體,如果此時我們把鏡頭往回來,其實這個時候的恆星是非常臃腫的,不僅如此,恆星還會像洋蔥頭一樣,由於內核的溫度極其高,導致外層的溫度也很高,而外層那些沒有消耗低的原子核也會發生核聚變反應。
如果恆星的質量依然還足夠大,光子就會進入到鐵原子核內部,把鐵原子擊碎,質子和中子就開始游離於恆星的內核當中,只有的質子遇到電子就會生成中微子和中子。此時,就會發生超級勁爆的超新星爆炸。這種類型的超新星爆炸特別猛烈。一般亮度可以媲美一個星系。
超新星爆炸過程中,恆星把自身的物質拋灑到了太空當中,只留一下一個內核。如果這時候內核大於1.44倍太陽質量,小於3倍太陽質量。那麼,中子就會在太陽的作用下,逐漸形成中子星。
中子星為什麼那麼重?
實際上,中子星還真的不是重,它要比許多恆星的質量還要低一些,它的可怕之處在於自身的密度特別大,它的密度達到了8*10^(13)克到2*10^(15)克。一顆典型的中子星的半徑大概也就只有10~20公裡,而質量介於1.35倍~2.1倍太陽質量。兩者僅僅半徑就相差了30000倍~70000倍。所以,中子星屬於那種質量超級大,而個頭又極其小的,這才導緻密度特別大。
那麼為什麼中子星的密度都會很非常大呢?
這要從原子結構說起,大多數人認為原子當中原子核和電子的構成就像下面這樣:
實際上,並不是這樣,關於原子的結構到底是什麼樣子的,科學家們研究了很久很久,經歷多帶科學家的努力,終於搞得差不多明白了。
按照目前的理論,原子是由原子核和電子構成的,而電子在原子核外呈現的是概率雲的分布。但這裡和我們要講的關係比較的是原子核的大小,這其實是盧瑟福搞清楚的,他用α粒子轟擊金箔,結果大多數都穿了過去,只有機器少數是有偏折角的。
按照這個實驗的結果,我們就可以得到一個結果,那就是原子核的大小遠比我們想像中的要小得多,連原子的1%都不到,但卻擁有99%以上的質量。
如果把原子比喻成一個足球場,那原子核只有一隻螞蟻那麼大。於是,而原子核內部還有中子和質子。
他們被介子傳遞的核力束縛在一定的範圍內,所以中子其實是比原子核還要小得多的存在。中子星說白了就是由中子構成的天體,也就是說,原本特別廣闊的原子內部的空間在中子星中是不存在的,這才使得中子的密度可以達到非常恐怖的尺度,一勺中子星就可以達到數億噸的水平,如果我們把地球壓縮成中子星的密度水平,那壓縮後的地球半徑只有11米。