中子星有多小?直徑22公裡的球體重達兩倍太陽質量

2020-12-16 新浪科技

來源:新浪科技

大多數中子星相當於將兩倍太陽質量塞入一個直徑22公裡的球體,這樣的體積意味著黑洞通常可以直接吞噬整個中子星。

新浪科技訊 北京時間3月24日消息,據國外媒體報導,依據最新一項研究表明,大多數中子星相當於將兩倍太陽質量塞入一個直徑22公裡的球體,這樣的體積意味著黑洞通常可以直接吞噬整個中子星。

中子星是大質量恆星變成超新星後殘留的恆星屍體,其密度非常大,一湯匙體積中子星質量放在地球表面,相當於珠穆朗瑪峰的重量,相比之下一湯匙太陽質量僅5磅。雖然中子星的質量多年以來保持一定範圍,但要準確確定其直徑仍十分困難。多數天文學家認為,中子星的質量被壓縮到一個城市大小的球體之中。

目前,最新一項研究將引力波測量和其他技術結合起來,對中子星體積大小做出迄今最精確的分析,結果顯示,一顆「標準」的中子星直徑大約22公裡,當它們接近宇宙另一個最神秘天體——黑洞的時候,其大小也會產生重要影響。最新測量結果表明,通常情況下,一個黑洞完全可以吞噬整個中子星,但是天文學家使用傳統望遠鏡很難發現相關證據。

中子星如何形成

大質量恆星核聚變時耗盡氣體將發生爆炸,當恆星物質朝向所有方向猛烈噴發時,剩餘的恆星物質就會凝結成中子星,如果一顆恆星的質量足夠大,其殘餘質量就會進一步凝聚成黑洞。

像太陽這樣獨立恆星構建的行星系統在宇宙中是少數的,大多數恆星處於多恆星組成的行星系統,當兩顆大質量恆星發生進化演變時,其所在行星系統中的最終會以兩顆中子星、兩個黑洞,或者兩者其一的形式存在。近年來,天文學家開始研究探測多恆星系統,當它們死亡螺旋進入另一顆恆星引力範圍時會拋出引力波,這就是天文學家近期對中子星體積大小進行極其精確測量的方法。

2017年,美國雷射幹涉引力波天文臺(LIGO)和義大利室女座探測器接收到一個引力波信號,表明兩顆中子星在距離地球大約1.2億光年之外碰撞。不久之後,傳統天文臺開始觀測電磁波碰撞,這些發現對於中子星的質量和旋轉產生前所未有的了解。

中子星體積大小

德國愛因斯坦研究所將這些觀測結果與亞原子粒子在中子星內部密度極高條件下運行模型結合起來,雖然地球實驗室裡不可能重現這樣的條件,但是物理學家們證明,他們可以利用現有理論,在最微小尺度上推斷他們的計算結果,進而推斷出遙遠中子星的情況。

他們的研究結果表明,中子星直徑應當在21-24公裡之間,而一顆「標準」中子星直徑應當是22公裡,該最新測量數據比之前對中子星體積的評估精準兩倍。

研究報告作者、愛因斯坦研究所研究員科林·卡帕諾(Collin Capano)在新聞發布會上稱,在可觀測宇宙範圍內,中子星包含著最密集的宇宙物質,事實上它們的密度非常大,人們可以將整個中子星想像成為一個原子核,其直徑大約22公裡,相當於一座城市的直徑。通過測量中子星屬性,我們可以掌握在亞原子等級上支配物質的基本物理學原理。

被一個黑洞吞噬

中子星直徑非常小,以至於當中子星和黑洞在一起運行時,如果距離太近,甚至可能被黑洞完全吞噬。天文學家一直密切關注黑洞與中子星的碰撞過程,他們預計其碰撞過程會釋放強烈電磁輻射,陸基望遠鏡可直接觀測到。

然而,如果中子星在與黑洞碰撞合併時未被黑洞粉碎,那麼陸基望遠鏡則探測不到任何光線,同時,引力波探測器也可能無法分辨黑洞合併和混合合併的區別。

卡帕諾說:「我們現已證實在所有情況下,中子星不會被黑洞撕碎,而是會被完全吞噬,只有當黑洞體積非常小或者快速旋轉的時候,它才能在吞噬中子星之前破壞它。只有這樣,我們才能看到引力波之外的事物。」

目前天文學家不需要太長時間就能驗證這一觀點是否正確,未來幾年,引力波探測器將變得越來越強大,如果中子星與黑洞碰撞事件比預期更少,至少科學家能夠知道為什麼會這樣。

這項最新研究報告發表在3月9日出版的《自然·天文學》上。(葉傾城)

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    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。
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    本文參加百家號科學#了不起的天文航天#系列徵文中子星的質量範圍不大,在1.44倍太陽質量以上(白矮星的最大質量極限,稱為錢德拉塞卡極限)、3.2倍太陽質量以下(中子星的最大質量極限,稱為奧本海默極限)。
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    太陽是宇宙中一顆質量不算是很大的黃矮星。科學家推測太陽的壽命大約有100億~110億年。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。
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    根據球體積公式V=(4/3)πr^3,可計算出1立方釐米的中子星物質變成地球物質,相當一個半徑351米的球體。這個結果可能超乎一些人想像吧?中子星說得那麼玄乎,也不過如此。其實這已經很玄乎了,一個指甲蓋那麼大的中子星物質,變成地球物質就成了塞滿鳥巢空間一個巨大的球。指甲蓋大的黑洞,會有多大質量呢?
  • 1立方釐米的中子星物質重達10億噸,把它放在地球上會發生什麼?
    宇宙中存在著很多巨大質量的恆星,當它們內部的核燃料消耗完之後,就會在自身重力的作用下發生坍塌,並常常會發生威力無比巨大的超新星爆發,在一切結束之後,如果其殘留核心的質量大於1.44個太陽質量(錢德拉塞卡極限)又小於3.2個太陽質量(奧本海默極限),那麼它就成了中子星。
  • 一立方釐米大小的中子星物質遇到地球會發生什麼?
    就是在自身的巨大引力塌陷作用下,電子已經不那麼「自由」了,因為讓它自由的空間急劇縮小,電子甚至被壓進了原子核內,和帶正電的質子結合變成了中子,因此無論是什麼物質,最終的結果就是一堆密密麻麻的中子,因此說中子星的密度實際上就是原子核的密度,大約可以達到每立方釐米1-10億噸。按照這樣的密度,如果把地球壓縮成一顆中子星,那麼它最後的直徑僅僅20米左右。
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    溫度:中子星表面溫度1000萬攝氏度(太陽表面溫度6000攝氏度),中心溫度超過60億攝氏度(太陽中心溫度2000萬攝氏度)。質量:中子星的質量在太陽的1.35-3倍。而中子星也是同樣由恆星末期演化來的,但是和白矮星不同的是,形成中子星的一定是大質量恆星,正常在9倍太陽質量以上的恆星,但是大概低於30倍太陽質量,因為再大質量的恆星演化出來的就不是中子星,而是黑洞了。
  • 如果把一立方釐米中子星質量放在地球上,地球會不會被穿透?
    一般來說,第一階段的反應是氫的熱核聚變反應,有兩條路徑,不過反應的結果都是4個氫原子核反應生成一個氦-4原子核。太陽目前就正在進行著核聚變反應,這也是太陽輻射的來源。如果恆星的內核把氫原子核都燒完,只要恆星的質量足夠大,它就可以繼續發生下一個階段的核聚變反應,這個階段開始燃燒氦原子核生成碳原子核和氧原子核。
  • 硬核科普—解密中子星的內部結構
    當核能耗盡、平衡被打破,恆星最終演化為幾種不同狀態,而中子星就是恆星演化的產物之一。這樣形成的中子星的質量一般在1到2倍太陽質量之間,平均密度略大於2 倍飽和核物質密度ρ0 ≈ 2.8×1014 g/cm3,而半徑只有十幾公裡。新生中子星的自轉周期一般約十毫秒,之後由於磁偶極輻射等因素損失自轉能而使得周期逐漸增加。
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  • 誕生於巨大恆星死亡之時的「中子星」到底有多大?
    儘管我們認識中子星已有大半個世紀了,但天體物理學家仍不清楚它們究竟有多大。中子星存在兩個未解之謎:其中央究竟是什麼?它們的體積可以增長到多大?我們知道,中子星的體積相對來說比較小。據研究人員估測,一顆質量約為太陽1.4倍的中子星的半徑介於8至16公裡之間。而相比之下,太陽的半徑約為69.6萬公裡。
  • 白矮星中子星物質已經不能用元素解釋,那麼黑洞裡面還有物質嗎?
    我們認知的物質都是由原子組成,元素也是有原子組成。我們人類能夠認知的最小尺度是普朗克尺度,也就是1.6×10^-35米。電子直徑為10^-15米,普朗克尺度比電子小20個數量級,也就是小1萬億億倍。量子力學認為,小於普朗克尺度對於我們世界沒有任何意義。
  • 為什麼太陽沒有資格成為質量最小的黑洞?
    為什麼太陽連變成質量最小的黑洞的條件都達不到?那麼需要多少質量才能擠壓到如此緻密的地步呢?原則上,不存在所需的最小質量量。如果你能把一大塊物質擠壓得足夠硬,它最終會達到坍縮點。但實際情況並非如此簡單,當你擠壓物質時,物質會往回推。
  • 中子星都是中子構成的麼?有沒有什麼依據呢?
    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。
  • 光速每秒繞地球7.5圈,中子星一秒可轉700圈,它超光速了?
    這種天體就是中子星,據了解一顆中子星的自轉速度達到了每秒鐘700圈左右。根據科學家們對宇宙天體的研究,這種天體實際上是恆星末期經過超新星爆炸之後產生的。恆星到了末期之後會有多種演變的可能性,其中一種就是發生超新星爆炸。該現象發生之後恆星外層物質瞬時被炸飛,只剩下一顆堅實的內核,這個內核經過一系列變化後又形成了中子星。
  • 如果把1立方釐米的中子星物質放到地球上會怎樣?
    中子星是宇宙中一種十分極端的天體,其物質狀態與眾不同。倘若在中子星上挖出1立方釐米的物質,然後將其置於地球上,這會有怎樣的結果?中子星的來源中子星是宇宙中密度最大的天體之一,它們之所以擁有極高的密度,與它們的形成方式有關。中子星的前身是恆星,只不過這種恆星要比太陽重得多,它們的質量為8至20倍太陽質量。這種恆星在消耗完核聚變燃料之後,由於輻射壓不足,它們的核心會劇烈坍縮,導致外層物質向外猛烈爆發,從而產生超新星。
  • 一顆足球大小的中子星物質落在地球上,人類會滅絕嗎?
    要了解這個問題,我們就要搞清楚中子星到底是咋來的?其實無論是黑洞、中子星、白矮星都是恆星演化的產物,只不過質量不同的恆星演化的產物吧了。如果質量比較小的恆星在演化到生命周期的晚期時,就會成為一顆白矮星。