中子星由中子組成,既然中子呈中性,為啥會有超強的磁場?

2020-11-23 時空通訊

有人問:既然中子星是由不帶電的中子組成,為啥還有極強的磁場?

首先,我們了解一下中子星是怎麼來的?

有資格形成這種天體的恆星質量必須大於太陽的8倍,小於太陽質量的30~40倍。這種大質量恆星在壽終正寢時會拼盡全力來一個迴光返照,爆發出巨大的能量,將大部分質量散盡回歸太空,中心留下一個緻密的核,這個核有太陽質量的1.44倍以上到3倍左右,這個核就是中子星。

這個核有多大呢?半徑10~20km。有人老不相信中子星有那麼「重」,每立方釐米質量達到1~20億噸,想想就明白了,一個10~20公裡半徑的球,濃縮了1.44個太陽以上的質量。要知道太陽質量是1.9891x10^30kg,半徑為69.6萬km。掰下手指頭,用太陽質量乘以1.44,再除以半徑10km的球體積,其密度不就出來了?

上面這幅照片顯示的就是距離我們6300光年的蟹狀星雲,這是在1054年爆發的一顆超新星遺蹟,其中心就是一顆中子星,也是一顆脈衝星。

中子星的幾個極端特點。

中子星的特點除了密度大,還有自轉速度超快、溫度超高、壓力超大等特點。

中子星自轉主要是繼承了原恆星的角動量,這有點像跳冰上芭蕾,當運動員縮緊身體時,緩慢的旋轉就會變得起來。原恆星都是數十萬甚至百萬千萬km半徑,縮小到10來km,因此轉起來就快多了。最快的毫秒級脈衝星,如代號為J1739-285的中子星,自轉速度達到每秒1122轉;已知最高轉速的中子星PSR0535-69,轉速高達每秒1968轉。

中子星剛形成時,溫度可達10^12K,就是萬億開爾文,而太陽表面溫度才6000K,中心溫度才1500萬K。中子星溫度比太陽溫度高出上億倍。隨著時間的推移,中子星溫度經過一個「烏卡」過程,10000年後,中心溫度會降到1億K,表面溫度會降到100萬K。

中子星壓強達到10^28個地球海平面大氣壓,也就是比地球海平面高出1萬億億億倍,比地球中心壓力約300萬海平面大氣壓高出30萬億億倍,比太陽中心3000億大氣壓高出3億億倍。

由於中子星這種極端特點,它除了害怕黑洞,任何天體靠近它都會被它吃掉,就更別說人造天體了,因此人類想要近距離觀測中子星是不可能的。中子星的表面逃逸速度達到光速一半,也就是每秒15萬km,如果一個人被中子星引力捕獲掉落其上,速度將達到一半光速,撞擊造成的能量達到2億噸TNT爆炸威力,相當4枚世界最大核彈沙皇炸彈,或15000多顆廣島原子彈同時爆炸威力。

不過這點威力在中子星極大的重力場作用下,可能掀不起一個毫米的波浪。

還有一個極端特點就是超強磁場。

中子星的磁場有多強呢?我們來比較一下。

磁場的衡量單位叫「高斯」,字母表示為Gs。地球磁場為0.7Gs,就足以抵擋太陽風的侵襲;木星磁場達到14Gs,是地球的20倍;太陽磁場極區普遍磁場很低,只有1Gs,但太陽磁場活動性很大,兩極噴發時可達1000Gs,日面寧靜區磁節點磁場強度也達到上千Gs,但黑子爆發磁場可達4000Gs。

這些看起來已經很強的磁場,與中子星磁場比起來完全是小兒科了,就連用「小巫見大巫」來比喻都大大高估了恆星磁場了。中子星的磁場強度至少在數千億Gs以上,絕大多數脈衝星表面極區磁場強度都高於10000億Gs,甚至高達20萬億Gs。

脈衝星是中子星的一種,就是旋轉的中子星,因不斷地發出電磁脈衝信號而得名。其實中子星都會旋轉,只不過有快有慢,那麼怎麼有區別於脈衝星呢?

這是因為天體的自轉軸與磁軸並不重合,中子星也一樣。這樣中子星旋轉起來,從磁極發出的能量射線就會像燈塔一樣掃過太空,而這束能量正好掃到地球,並且有規律的重複掃過,被人類接受到了,這顆中子星就是脈衝星。由於中子星很小,那些雖然也有旋轉和能量射出的中子星,由於其能量信號沒有掃過地球,就比較難被人類發現,即便發現了,也不叫脈衝星,依然叫中子星。

現在我們來說說,中子星組成和帶不帶電的問題。

理論上認為,中子星是在極大壓強下,原子外圍的電子被壓進了原子核,帶負電的電子就與核內帶正電的質子中和為了中子,加上核子裡本來的中子,整個星球就成為一個由中子組成的星球,其密度達到原子核密度。

這個理論是理想理論,並沒有錯,但在實際中,中子星本身並不是一個完整的中子球,而是根據壓強不同,就像地球一樣,有幾個不同分層結構。其表層是一些被壓強壓垮,還沒來得及與質子結合的游離電子;第二層是處於結合過程的原子核、電子、中子等混合體;第三層應該是已經結合完成的全中子了,但在極端的高溫高壓下,這裡呈現出超流體液態;第四層是超固態核心區。

因此,所謂中子星不帶電這個論斷是不成立的。何況即便全部是中子組成,而中子是由1個上夸克和2個下夸克組成的複合粒子,夸克是帶電的,上夸克帶2/3正電,下夸克帶1/3負電。

因此,中子星不帶電是一個誤區。

那麼中子星的磁場怎麼來的呢?

我們先來了解一下天體磁場是怎麼來的。雖然目前對於天體磁場的來歷還沒有一個統一的認識,但目前科學界認同比較多的理論是發電機效應。

我們知道,發電機的轉子切割磁力線會產生電流,由此科學家提出地球內部存在類似「雙軸發電機」的磁場產生效應。地球內部有多重結構,各個結構密度和狀態都不同,在地球自轉時,不同的結構轉速是不一樣的,這樣地球產生了的電流,該電流產生了地球磁場。

太陽磁場研究也有類似理論,是由內部帶電物質運動的不均衡產生了磁場。但太陽磁場產生還有一種化石來源說,這種理論認為,太陽現有磁性是幾十億年前形成物質遺留下來的。這種學說實際上就是說磁場可以從其前身天體獲得或繼承。

根據這些理論,中子星出現的強大磁場就不難解釋了。

其一,中子星自轉速度極快,達到地球自轉的上億倍,其分層結構轉速差異很大,特別是中間有超流體這種超導物質,根據發電機效應,必將形成超強的磁場;

其二,中子星是由巨大質量恆星爆發而來,其不但繼承了前期母星的角動量,同樣也能夠繼承母星的磁性。

但最近一項研究否定了第二點,就是繼承母星磁場的說法。

這項研究是坐落在德國慕尼黑的馬克斯普朗克天體物理研究所一個團隊做出的,他們認為,中子星可能是在自身形成過程中產生的極端磁場。這個過程是,巨大恆星在坍塌的最初幾秒鐘,新生的中子星通過發射中微子快速冷卻,從而引發了強烈的內部對流,就像一鍋燒開的沸水上下翻滾,這樣就導致原本存在的原恆星弱磁場快速增強。

這個理論支持了發電機模型理論,他們通過超級計算機對這個理論進行模擬,顯示出了中子星初始弱磁場一路放大到10^16Gs,從而正是這種推測是正確的。

他們認為,如果極強磁場是繼承自原恆星,這種極強的磁場會導致原恆星轉速減慢,最終也導致中子星轉速很緩慢。但實際上中子星的轉速是很快的,最快的達到每秒1968轉,因此這種強大磁場不可能來自原恆星。不過他們並沒有否定中子星從原恆星中繼承了較弱的磁場,正是有這些較弱的磁場,通過發電機理論才得以快速增強。

這就是中子星極強磁場的大致來歷。關於天體磁場形成的準確完整機制,依然在探究中。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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