中子星極為緻密,若把地球壓成一顆中子星,它的體積有多大?

2020-09-02 科學信仰


太陽作為一顆中等質量的恆星,它的平均密度並不是很大,約為1.408*10∧3kg/立方米,這個數字也就是比水略高。

身為黃矮星的太陽,雖然現在的密度並不是很大,但在遙遠的未來,它卻會成為一顆極為緻密的天體。

太陽憑藉著它的光和熱為整個太陽系提供著光亮與溫度,並且已經持續了大約50億年,而這一切都源於太陽上的氫核聚變反應,不過太陽的燃燒並不能永遠持續下去,在30到50億年之後,太陽上的氫元素也會逐漸消耗殆盡,隨著壓力和溫度的進一步提升,氦元素的聚變被點燃,於是太陽便會由氫核聚變階段進入到氦核聚變階段,此後,太陽上的聚變反應會不斷向更重的元素推進,直到碳或氧,由於太陽本身的質量有限,所以到達碳或氧之後,便無法將核聚變向更重的元素推進了。


當太陽上的核聚變被推進到碳或氧之後,太陽便會在自身的引力作用下向中心坍縮,物質被不斷擠壓,密度持續提升,最後會成為一顆極為緻密的白矮星。

那麼這顆緻密的白矮星的密度到底有多大呢?白矮星的密度並不一致,這是因為質量越大的白矮星,它的引力作用就越大,密度自然也就越大,不過最小的白矮星,它的密度也能夠達到每立方釐米100公斤,而最大的白矮星的密度甚至可以達到每立方釐米10噸,如此緻密的物質,在地球上是無法找到的。雖然在地球上找不到如白矮星一般緻密的物質,但是在宇宙之中,比白矮星更加緻密的物質卻廣泛存在著,而其中密度最高的就要數中子星了。當然,在理論上,黑洞的密度遠高於中子星,但黑洞內部的逃逸速度超越了光速,所以黑洞是一個不可見的天體。


所以我們可以這樣說,在可見的宇宙天體之中,中子星的密度是最高的。

那麼中子星的密度到底有多高呢?和白矮星一樣,中子星的密度也並不一致,質量越高的中子星,它的密度也越高,不過最小的中子星,它的密度也可以達到每立方釐米8000萬噸,而大質量的中子星密度甚至可以達到每立方釐米20億噸。

只是列出數字並不足以讓人對中子星的密度產生切身的感受,那麼我們就來舉一個例子吧,地球的平均密度大概為每立方釐米5.5克左右,從數字上來看,這就與中子星每立方釐米8000萬噸相差甚遠,那麼如果我們將地球擠壓成一顆與中子星密度相等的天體,那麼地球會縮小到何種程度呢?地球將會變為一顆直徑在20米左右的小球。


中子星如此令人驚嘆的密度到底是從何而來的呢?其實中子星的前身和白矮星一樣,也都是一顆恆星。

不同的是,中子星的前身是一顆大質量的恆星。太陽作為一顆黃矮星,只能夠坍縮為白矮星,而通常認為如果一顆恆星的質量達到太陽質量的8到30倍,就可以將核聚變推進到鐵元素,之後會通過超新星爆發而坍縮為一顆白矮星,而質量超過30倍太陽質量的巨大恆星則會坍縮為黑洞。

超新星爆發是一種極為強烈的天體活動會在一瞬間釋放出巨大的能量,這股能量可以達到恆星一生所釋放能量的數十倍。在超新星爆發過後,再也沒有任何力量可以阻止物質向中心坍縮,於是隨著密度逐漸的提升,一顆完全由中子星物質所構成的天體就誕生了,它就是中子星。


與白矮星不同,中子星坍縮的過程並不僅是提高了物質之間的密度,由於強大的壓力,原子會被直接壓碎,原子核外的電子會被壓縮到原子核之中,於是電子與質子結合形成了中子。

原子是很小的,但原子核更小,一般而言原子核只佔原子體積的幾千億分之一,而中子星物質原子核外的空間已經徹底被壓縮,所以中子星物質的密度實際上也就是原子核的密度,這就很容易理解為什麼中子星會擁有如此之高的密度了。中子星完全由中子所構成,同樣的,中子星上的物質也完全依賴於中子星特有的條件,一旦中子星物質離開了中子星,那麼它也就不再是中子星物質了。不過每立方釐米就可以達到8000萬噸以上的物質,也沒有任何可以把這種物質帶離中子星。

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    中子星密度是水的100萬億倍,若地球壓成中子星,體積將會多小?密度可以說是物理學中重要的物質屬性,我們都知道密度的計算公式是質量除以體積,那麼宇宙天體中密度最大的天體之一的中子星其密度有多大呢?假如把地球壓縮為中子星那樣的密度,地球的體積又會小到怎樣的程度呢?讓我們聽聽科學家怎麼解釋的吧!首先讓我們先介紹下大密度天體的常客「黑洞」,早在18世紀數學家、物理學家拉普拉斯就表示,一個具有與地球同樣密度,而直徑是太陽250倍的天體,它發射的光線將被自身的引力吸引,其發射的光線將不會被我們看到,因此宇宙中最明亮的天體很可能是看不見的。
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    按照最直觀的理解,一立方釐米大小的中子星可能會直接穿透地球達到地心的位置,但實際情況如何我們要具體分析來看一下。中子星顧名思義是全部由中子組成的特殊天體,這樣的天體已經徹底脫離了常規物質的概念。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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    文章介紹了一個國際研究團隊利用幾個不同望遠鏡和觀測站的數據,馬克斯·普朗克引力物理研究所的成員阿爾伯特·愛因斯坦研究所(AEI)將中子星的大小估計縮小了兩倍,將中子星的半徑縮小到更精確的測量範圍。中子星究竟有多大?就恆星物體而言,這些密度極大的,引力坍縮所形成的恆星體積卻很小。即使每一顆的質量都等同於一整顆龐大的恆星,一座中至大規模的城市直徑也足以與他們的尺寸相提並論。
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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。
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