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中子星的構成
中子星之所以叫做中子星,原因就是中子星基本上是由中子構成的。中子星大致可以分為三層,核心部位壓力巨大,是由超子構成的。中間層是由自由中子構成的。表面由於中子會發生β衰變,衰變成電子、質子、中微子。
因此,中子星並不是完全由中子構成,但絕大部分都是中子。
不過即使是這樣,中子星也已經和多數天體有非常大的不同了,那這種不同是如何造成的呢?這其中就涉及到了恆星的演化。
恆星的演化
這裡我們講一講10倍太陽質量的恆星,這類恆星個頭都會非常大,一般都是藍巨星(當然這並不是絕對。)它們的壽命都比較短。
最早會和太陽一樣,會進入到主序星時期。主序星時期燒的也是氫原子核。
這和我們平時燒爐子是一樣的,只不過爐子燒的是煤炭,而恆星燒的是氫原子核,爐渣是氦原子核。說白了就是4個質子發生核聚變反應生成氦-4核。
之所以燒氫原子核是因為,宇宙中大部分的元素都是氫原子和氦原子,這是宇宙大爆炸之初奠定的。因此,恆星基本上都是由氫原子和氦原子構成的,其中氫原子佔到了70%以上。加上恆星內核的溫度特別高,因此,恆星其實是一個等離子體。
有意思是,原子核和電子是到處亂串的。所以,核聚變反應就是直接是氫原子核的反應。當氫原子核反應得差不多時,恆星就會換擋位,切換成氦核聚變。這時候的燃料就是氦原子核,爐渣就是氧原子核和碳原子核。
當氦原子核也燒完後,還會繼續換擋,開始燒碳原子核和氧原子核。然後一路換擋,燒到核心是生成的爐渣是鐵原子核。
由於要促發矽原子核核聚變生成鐵原子核,內核溫度就會升高到非常高的程度,大概在30億度左右,這時候外層的溫度也會非常非常高,導致外層也在發生核聚變,而且每一層的核聚變反應都不一樣。此時的恆星就好像一個巨型的洋蔥一樣。
當內核的矽核聚變都生成了鐵原子核(其實還有一些其他的,主要是鐵原子核)。此時,光子會進入到鐵原子核內部,把鐵原子核擊碎。於是,大量的中子和質子就會被釋放出來,自由的電子和質子相遇會後,就會發生反應,生成中子和中微子。因此,整個過程是需要消耗大量能量。緊接著在引力的作用之下,恆星開始快速坍縮,核心會只留下一個中子星,也可能會是黑洞,然後引發II型超新星爆炸
我們可以再對形成中子星的過程進行細緻的描述,實際上,如果此時的內核質量是在1.44倍太陽質量到3倍太陽質量之間,那一般來說就會生成中子星。這是因為,電子是存在電子簡併壓力的,這種壓力可以抵抗外界的引力,確保電子不和原子核內的質子反應。但是由於溫度太高,引力太大,最終電子簡併壓力不足以對抗引力,才發生了這個反應。
但其實中子也是可以再分成夸克的,為什麼沒有繼續往下壓呢?
這和中子也有中子簡併壓力有關,中子星就是一顆依靠自身中子簡併壓對抗引力的天體。
如果中子簡併壓也無法對抗引力,那接下來就會成為一顆黑洞,如果內核的質量大於3倍太陽質量,就有因為引力大於中子簡併壓而成為黑洞。
當然,這些都是理論,但實際是不是這樣還是要依靠觀測。恆星的核聚變反應我們可以利用光譜得到;恆星的演化也可以通過觀測得到,無論是中子星,黑洞甚至是超新星爆炸,科學家都有切實觀測到的證據。因此,以上這些理論都是得到了觀測的證實的。
最後,我們來總結一下,中子星大部分構成成分就是中子,只有少部分的超子和電子、質子,分別分布在內核和外表面。中子星是大質量恆星(質量大於10倍太陽質量的恆星)演化過程中出現的產物,這也被科學家通過天文觀測所證實。