中子星是怎麼產生的?為什麼密度會這麼大?

2020-12-11 鍾銘聊科學

#了不起的天文航天#

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。

相關焦點

  • 中子星密度大質量大,一立方釐米重量上億噸,是什麼概念?
    中子星的確密度很大,中子星可以說是宇宙中可怕程度僅次於黑洞的天體,其表面的引力場異常強大,和黑洞有得一拼,換句話來說,中子星就是一顆失敗的黑洞。中子星和黑洞同樣是恆星生命末期可能到達的終點之一,中子星是恆星演化到生命末期經由重力崩潰發生超新星爆炸之後,可能形成的少數終點之一,質量沒有達到可以形成黑洞的恆星在其生命末期會形成一種密度介於黑洞和白矮星之間的天體,這個天體就是中子星。
  • 中子星密度極大,一立方釐米上億噸,這是什麼概念?
    在一些極端條件下,物質的性質會發生翻天覆地的變化,比如密度。一大坨棉花經過擠壓,能夠裝在一個很小的盒子中;空氣經過壓縮後,體積也會變得很小。當壓力足夠大,物質被擠壓得非常厲害,密度也會變得超級的高,遠超你的想像。
  • 每立方釐米超1億噸,中子星密度如此之大,還有我們未知的元素嗎
    接下來,我們要了解中子星的形成以及其內部組成,看它是否符合元素的定義。我們知道,質量和引力息息相關。大質量物體產生的引力會使自身發生坍縮,這種坍縮在恆星內部產生了合適的壓力和溫度,使之開始發生核聚變。核聚變釋放的能量又會加熱恆星中的物質,它們產生的向外壓力差足夠抵消自身引力的內聚作用,於是恆星的大小就保持不變。
  • 中子星密度能達到每立方釐米1億噸以上,這是由什么元素構成的?
    中子星是大質量恆星在生命演化周期的後期所形成的一類特殊天體,在已知的天體結構中,其物質密度僅次於黑洞,組成物質每立方釐米可以達到上億噸,這在我們現實世界中是非常難以想像的,那麼中子星的組成物質是什麼呢?其中是否含有我們所未知的元素?
  • 中子星密度達百萬億噸,這是什么元素?是否表示宇宙還有未知元素
    重水和普通水非常相似,都是無色無臭的液體,但密度略大,冰點也略高,化學性質幾乎一樣,但普通水是生命之源,重水卻可能會引起死亡。但重水可以作為裂變反應堆中的中子減速劑。當質子數增加時則元素需要會相應增加,比如兩個質子的氦,三個質子的鋰,四個質子的鈹,只要你願意,可以對著元素周期表念個一兩分鐘。為什么元素序號高了會不穩定?
  • 中子星密度高達每立方釐米1億噸,是否意味著還存在未知的元素?
    中子星是超大質量恆星在演化末期形成的一種高密度星體,密度在每立方釐米8000噸至20億噸之間。這意味著,如果你能從中子星上取一湯匙物質,它的質量比地球上一座山峰的質量還高。中子星上的物質只是密度極大,而這種高密度物質是在超強的引力作用下形成的,在普通環境下很難創造這種物質。
  • 脈衝星的密度高達10億噸每立方釐米,如此高的密度是怎樣形成的?
    脈衝星的電磁脈衝就是這麼產生的。上圖為脈衝星(高速旋轉的中子星)結構簡圖脈衝星的密度確實高達10億噸每立方釐米。脈衝星上一湯勺的物質,其重量就比地球上的一座山峰還要重。不相信的可以動手算一算,地球表層巖石的平均密度大約為2.7克每立方釐米。
  • 中子星內部結構
    1926 年,著名統計物理學家福勒撰文推測:僅受原子核和電子體積所限,密度高達1014 g/cm3以上的緻密物質是有可能存在的。他還指出白矮星以電子氣簡併壓為主抵抗自身的引力。1930 年代初,錢德拉塞卡考慮到電子氣的相對論能動量關係後發現:白矮星質量過大、自身引力太強時,電子簡併壓將不能平衡引力;即白矮星存在極限質量(後稱為「錢德拉塞卡極限」)。
  • 黑洞吞噬中子星會發生什麼?直徑僅22公裡的緻密中子星會解體嗎?
    因為太陽質量不夠大,所以不會變成中子星,最終的結局只能是一顆白矮星。每顆恆星都像太陽一樣發光發熱,然而它們內部的資源是有限的,所以總有一天會走向生命的終點。恆星死後不再發光發熱,根據質量的大小,最終會變成白矮星、中子星、黑洞三者之一。
  • 中子星是中性質子組成的?那麼它1億特斯拉的磁場咋來的?
    這句話就很明確的交代了物理學中的電磁相互作用,即:變化的電場會感生出變化的磁場,相反磁場到電場也是一樣的。當然,帶電粒子的運動也會產生感應磁場,還記得我們學過的右手螺旋定理嗎?也就是安倍定則,這個法則為我們指出了電流方向和磁感線方向之間的關係。如果旋轉和移動的電荷可以產生磁場,那麼問題來了,為什麼一個巨大的中性物體會有磁場?
  • 恆星的生命周期是怎樣的演化過程,中子星與黑洞是怎樣形成的呢?
    我們知道自身會發光發熱的星體是恆星,圍繞恆星運轉的星體叫行星,地球就是一顆行星,太陽是恆星,它是距離地球最近的恆星。我們在夜晚所看見的那些星星,基本上都是自身發光的恆星。恆星為什麼會發光發熱呢?科學家發現恆星的能量是核的聚變反應所產生的,也就是熱核反應所產生的。
  • 中子星每秒轉速達到上千轉,速度超過光速了嗎?
    說中子星轉速超過光速的人是把中子星看得太大了。中子星其實是一顆很小的恆星屍骸,其轉速再快,也超不過光速。中子星一般半徑約10公裡,也就是20公裡左右的直徑,周長也就是60幾公裡,每秒鐘轉1000圈也就6萬多公裡,怎麼會超過光速呢?
  • 中子星每立方釐米重達億噸,是由什麼特殊未知元素組成的嗎?
    好在大質量恆星會發生超新星大爆炸,這種爆炸可以產生億億個大氣壓,100億乃至上千億度的高溫,這樣我們已知的118種重元素就誕生了。我們地球上怎麼會擁有宇宙中幾乎所有元素呢?我們太陽系有宇宙中所有元素,是因為太陽系就是在一坨超新星大爆炸後的殘渣中生成的。
  • 矮白星,中子星,黑洞他們之間存在著什麼樣的聯繫?
    大家好,當一顆恆星的能量即將耗盡時,它的核心會消耗掉最後一點「燃料」來產生熱量和壓力。那麼以我們的太陽為例,一顆恆星如果到了它生命的晚期,這是會開始非常緊密地塌縮,恆星將達到一種稱為白矮星的穩定狀態,在這種狀態下,電子的壓力平衡了恆星質量的重力。但是白矮星只能達到1.4個太陽的穩定質量,這也被稱為錢德拉塞卡極限。
  • 地球壓成中子星半徑僅有22米,1立方釐米重1億噸,中子星有多強悍
    最終太陽會因為內部核聚變燃料的耗盡而走向終結。它最終會變成一顆白矮星。白矮星是一種密度非常高的天體。它的密度可高達10000噸/立方釐米。天狼星的伴星就是一顆白矮星。它只有地球那樣大小,但是質量卻有太陽那麼大。然而白矮星的密度在另一種奇異的天體面前根本就不值得一提。這種天體就是中子星。
  • 為啥會有中子星,它有多可怕,指甲蓋大一塊按地球密度有多大?
    常有人對中子星物質密度沒有一個直觀了解,因此抱著質疑的態度。今天我們就來通過剖析一下一塊指甲蓋大的中子星物質,按地球物質密度看看有多大,並根據這條線索,讓各位對中子星的來歷有一個較為清晰的了解。所謂指甲蓋大,就定義為1立方釐米。我們通過密度換算就知道了,這只是一個簡單的數學題。
  • 白矮星和中子星內部的哪種力抵消了自身引力的壓縮
    中子星的密度高達10億噸每立方釐米,如此大的質量產生的引力非常大,那麼究竟是什麼力能抵抗住這麼大的引力,而不使之繼續坍縮呢?像太陽這樣的恆星質量很大,它會產生很大的引力,並使自身有向裡縮的趨勢。但太陽內部時時刻刻都在進行著核聚變,使它產生高溫高壓。正是太陽的高壓力抵消引力的影響,使太陽不會產生坍縮。當恆星內部的壓力不足以支撐住引力的時候,恆星會向內縮小,而這種縮小又會加劇核聚變的發生,使之溫度更高壓力更高,知道能和引力抗衡。但是當恆星的核燃料耗盡時,它已無法核聚變產生高溫高壓了,此時這顆恆星就有可能坍縮成白矮星、中子星或黑洞。
  • 像山一樣大的原子—中子星解釋
    中子星是的宇宙中最異乎尋常的存在之一。它們就像巨大的原子內核,直徑區區數公裡,卻密集無比、猛烈異常。但如此這樣的東西,怎麼可能存在呢?恆星演化與中子星誕生恆星的演變由兩種力量的鬥爭主導:其自身重力與其核聚變反應產生的輻射壓力。在恆星核心,氫原子發生核聚變形成氦原子,而氫原子在核心內逐漸地耗盡。如果恆星足夠龐大,氦原子可聚變成碳原子。
  • 藏在中子星與黑洞之間的神秘天體,它究竟是什麼?
    舉個例子,為什麼大家都這麼崇拜愛因斯坦,就是因為他的廣義相對論是一個很好的預測模型,這個理論從1916年提出至今,它已經無數次被證明正確。它預測了引力波,結果人類你發現了引力波;它預測了黑洞,人類果然發現了黑洞;它預測了引力透鏡,人類現在正在利用引力透鏡觀察我們的宇宙。
  • 中子星內部結構什麼樣?科學家:像各種形狀的義大利麵
    為什麼科學家用義大利麵疙瘩和千層面來解釋宇宙中的詭異存在——中子星?中子星是一種高深莫測的存在。一顆恒生衰老死亡才會形成中子星。燃料枯竭、不再發光的巨型恆星,受自身重力坍縮,擠出電子和質子,再結合生成中子。