為啥中子星很小卻可以吞噬質量大很多的恆星,其引力有多厲害?

2020-12-05 時空通訊

在我們這個世界,任何地方任何物體都遵循萬有引力定律,中子星也不例外。

萬有引力定律是經典力學鼻祖艾薩克·牛頓在三百多年前發現的,是現在人類發現宇宙存在四種基本力的一種,也是人類發現的第一種基本力。

萬有引力的發現,顛覆了人類幾千年來的認知,讓這個世界運行變得更有規律可行,使人類對世界的認識上升到了一個新的層次,客觀上衝擊了神創論,剝奪了上帝對世界萬物的指揮權。

因為在此之前,人們認為上帝或其他神仙創造了世界,並主導和任意的改變著這個世界,世界沒有規律可循。

萬有引力定律的發現,推翻了這種認知,讓人們知道世界有規律可循,萬事萬物的運行都遵循萬有引力規律,不是由上帝或者某些神仙操縱。

萬有引力是指任何物體都具有的基本屬性,是物體質量的根本屬性。

萬有引力定律表述為:引力大小與相互作用物體的質量乘積成正比,與作用物體之間距離平方成反比。

表達公式為:F=GMm/r^2

式中,F為引力值,G為引力常量,M和m為引力相互作用大小物體質量,r為引力作用物體之間的距離。

這就是說,質量越大的物體引力就越大,質量越小的物體,引力就越小;物體之間距離越近,引力越大,距離越遠引力越小。

因此任何物體都有引力,一個原子,一個分子都有引力。但引力是四種基本力中最小最弱的力,只有強力的千萬億億億億分之一,電磁力的百萬億億億億分之一,弱力的百億億億分之一。

因此,小質量物體的引力就非常微弱,很難測量感知出來。而在天體運行中,就顯得異常重要了。

現在我們回過頭來說說中子星。

中子星的引力大小和範圍,當然也遵從萬有引力定律,否則就不是萬有引力定律就不是萬有了,牛頓豈不就不牛了。

但要了解中子星引力為什麼表現得那麼極端,就要來了解一下中子星的前世今生。

中子星是我們世界一種極端的天體,是太陽質量8倍以上的恆星死亡後的屍骸。

這種恆星在演化後期,會發生超新星大爆炸,外圍的物質會分崩離析飄散到太空中,只留下中心一個至密的核。

這個核是由於恆星高溫高壓,中心核反應到了後期形成的,加上超新星大爆發的巨大能量壓縮,把原子壓碎了,電子被壓進了原子核,帶負電的電子與帶正電的質子結合成為電中性的中子,這樣與原來的中子擠在了一起,整個星球就成了一個大中子核。

這個大中子核就是中子星。

既然說到原子核、中子核,我們有必要簡單了解一下原子的構造。

我們知道,我們這個世界一切物質,都是由原子組成,而原子則是由原子核和核外電子組成。

原子的直徑約10^-10m,但這個直徑只是由於電子的運行而撐起來的一個巨大空間,原子核的直徑只有10^-15m,也就是說,這個原子核直徑比原子直徑小10萬倍。

也就是說如果原子是一個100米直徑的一個球,原子核就是中心那個1毫米直徑的小菜籽。

但是原子核的質量卻佔了整個原子的99.96%,事實上,原子核的質量基本能夠代表整個原子的質量。而原子核只是整個原子體積的千萬億分之一。

原子核的密度極大,約為10^17kg/m^3,就是每個立方米100萬億噸,1個立方釐米1億噸。

由此我們可以看出,我們在地球上看到的任何物質,不管它多麼的堅硬,即便鋼鐵鑽石,在它們極其細微的微觀世界,都是空洞的。

原子就像一個空空的大氣球,而幾乎佔有整個原子質量的原子核就躲在這個巨大的空球中心,主宰著這個球體。

如果把這個打氣球戳破了,讓原子核擠在一起,壓實了,密度就會達到驚人的地步。

這一切的鋪墊,都是為了讓各位更形象的了解中子星的密度。

中子星就是一個被巨大壓力壓實了的世界,沒有了電子撐起的這個巨大的空球,中子星不但原子核擠在了一起,而且都成了中子。

8倍太陽質量的恆星大爆炸後,剩下核心質量要大於1.44倍太陽質量,就會變成一個中子星。

而這個中子星由於原子的氣球被搓破了,原子核壓實了,1.44倍太陽質量就被壓縮成一個很小的球,半徑只有約10千米大小,物質密度達到1億噸/cm^3以上,甚至達到10億噸/cm^3。

就是一個小指甲蓋這麼大的物質,達到1~10億!全世界所有的人口擠在一起,質量都沒有這麼大!而這個星球,如果人們能夠上去的話,步行一天就能夠圍繞著走一圈。

可惜,這個星球不要說上去,就是靠近也不可能。

因為其上面表面溫度可達千萬度,核心溫度達到100億度,表面逃逸速度可達一半光速,就是沒有每秒15萬千米的速度,別想逃離中子星。

而人類的飛船最快也只有200千米每秒,還要等到帕克太陽探測器在2024年靠近太陽表面600萬千米時,依靠太陽引力彈弓效應才能夠創造出來。

如果一個人被中子星引力捕獲,高速撞向其表面,體積很快會擠壓不見了,撞擊的能量卻能達到數顆世界最大核彈~5000萬噸級沙皇炸彈的爆炸威力。

不過在中子星極大的重力下,即便核爆,也掀不起一個毫米的波瀾。

現在言歸正傳,來說說中子星的引力。

剛才提到,中子星表面引力極大,逃逸速度達到每秒15萬千米,而太陽表面的逃逸速度才每秒617.7千米。

根據萬有引力定律,引力大小與質量成正比,中子星的質量比太陽並沒有大多少,為什麼表面引力會比太陽大那麼多呢?

甚至有理論認為,已知最大的恆星r136a1,這顆比太陽質量大約300倍的恆星,遇到中子星也只有被吞噬的命運,這又是什麼道理呢?

其實這還是沒有弄清萬有引力定律的內涵。

請我們一定要記住,在這個世界,質量是引力的根源,引力大小是與質量成正比的,中子星也不例外。

一顆中子星與一顆質量同等的恆星,實質上引力是一樣大的。這就是說,如果中子星和與它一樣質量的恆星,都距離某個天體1億千米,那麼它們的引力沒什麼區別。

如果有一顆中子星在太陽位置,與太陽質量一樣大,我們地球就會照樣轉,引力上沒有什麼差別。

只是中子星由於體積太小,照射到地球的光和熱就太弱小了,地球將進入冰河時代,很快就會凍結成一個冰球。

既然同等質量的中子星與恆星是一樣一樣的,那麼到底為什麼中子星可以吃掉大恆星呢?

這是因為引力大小還有很重要的一個定律,就是與物體之間距離平方成反比。這一點中子星就佔了便宜了。

因為這個距離不是從物體表面之間計算,而是從物體之間的質心來計算。中子星半徑很小,其質心距離表面就比恆星近多了。

所以,這就造成了一個假象,質量一樣大的中子星,表面引力比同等質量恆星的引力卻大多了,這樣很多人就認為中子星引力大多了,所以就能夠吃掉比自己大很多的、甚至任意大的恆星。

但這是錯誤的,中子星的引力與任何同等天體的引力都是一樣大的,只是由於密度不一樣,表面引力就不一樣罷了。

同等質量的天體,密度越大的,半徑就越小,密度越小的半徑就越大。這樣同等質量天體的表面,距離質心的距離不一樣,表面引力就不一樣。

中子星是個極端天體,1.44倍太陽質量,半徑只有10千米左右;而太陽沒有中子星質量大,卻有69.6萬千米的半徑。

太陽表面距質心有69.6萬千米,中子星距離質心只有10千米,還沒有我們上班的距離遠,你說中子星表面引力怎麼會不大呢?

因此,中子星的引力影響遠近與其他天體是一樣一樣的,只是距離表面越近,由於中子星表面到質心距離,比恆星表面到質心距離近很多,才表現出引力極端的一面。

說到這,我們就有必要進一步了解一下更小、引力更極端的一種天體~黑洞。

1916年,愛因斯坦廣義相對論剛問世不久,德國天文學家、物理學家卡爾·史瓦西就得出了相對論引力場的一個解,這個解就是任何有質量的物體,都有自己的臨界半徑,一旦縮小到自己質量的臨界半徑,就會無限坍縮成一個奇點。

後來人們把這個解叫做史瓦西半徑。

史瓦西半徑的計算公式為:R=2GM/C^2

式中,R為史瓦西半徑大小,G為引力常量,M為天體質量,C為光速。

任何物體縮小到自己質量的史瓦西半徑以內,就成了一個黑洞。因此史瓦西半徑是以物體質量成正比的。

這個史瓦西半徑的邊界就是黑洞事件視界,也就是說在這個視界之外,人類可以觀測到它的引力影響事件,到了這個視界之內(史瓦西半徑內),就什麼都看不到。

因為事件視界裡面是無限曲率,也就是引力無限大,時空全部捲曲消失,光也無法逃逸。

根據公式計算,太陽的史瓦西半徑約3000米,地球的史瓦西半徑只有9毫米。如果有極端壓力把太陽壓縮到3000米半徑以內,太陽就會成為一個黑洞,就能夠通吃這個宇宙的一切。

可是,這個宇宙除了大質量恆星,沒有什麼力量能夠把物質壓進自己質量的史瓦西半徑。

這個不包括在大型強子對撞機裡,用極大能量製造一個原子級的黑洞,我們這裡不討論這個話題。

在宇宙中,要達到太陽質量30倍的恆星,死亡時的超新星大爆炸,才有能力把核心壓縮成為一個黑洞,這個黑洞的最小質量在太陽約3.2倍左右。

中子星在黑洞面前也是小巫見大巫,但中子星的半徑已經很靠近史瓦西半徑了。

一個1.44倍太陽質量的中子星,其史瓦西半徑為4320米,中子星實際半徑為10千米左右,是史瓦西半徑的2倍多點,引力當然就會非常厲害了。

這就是中子星表面引力比r136a1大很多,遇到一起,這個巨無霸恆星也只有被小中子星吞噬的原因。

但中子星過分貪吃就會撐破肚子,爆炸身亡。

研究認為,中子星吸取附近恆星或星際物質,把自己撐到太陽質量的3.2倍,也有研究認為一個不旋轉中子星質量只要達到太陽2.16倍的時候,依靠中子簡併壓支撐著引力壓的平衡狀態就會被破壞,引力壓力佔了絕對優勢,這顆中子星在爆炸中坍縮成一個黑洞。

這是恆星屍骸的升級。

宇宙中,恆星的屍骸排位是黑洞、中子星、白矮星。

黑洞是宇宙中的頂級天體,打遍天下無敵手,中子星排行老二,都是可怕的厲害角色。有人認為在黑洞和中子星中間可能還有夸克星,但現在還沒有發現。

就是這樣,感謝閱讀,歡迎討論。

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