中子星每立方釐米重達億噸,是由什麼特殊未知元素組成的嗎?

2020-12-03 時空通訊

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

一直有許多人對中子星物質奇高的密度百思不得其解,由此得出兩個結論,一是不相信,二是認為由什麼特殊元素組成,只是人類還沒有發現。

這不有人就提出,中子星每立方釐米億噸密度,是不是代表那裡有人類未知元素存在呢?

肯定回答:不代表。

不管這個宇宙有沒有我們還未知的元素存在,都不可能在中子星上找到。

人類已經發現了宇宙中約118種元素,這些元素在自然界只存在92種,有26種元素是人類通過核聚變做加法製造出來的。

儘管如此,這些元素都應該是自然界中存在的。

在某種特定條件下產生,比如小行星撞擊產生了某些元素,但由於這些元素半衰期太短,很快就衰變成別的元素,無法在自然界穩定的保存,因此,人類比較難在自然界得到。

所以就想盡辦法製造。所謂做加法,就是只能將兩個輕元素通過融合製造出重元素。

理論上如果自然界不存在的元素,人類是無法製造出來的。

那麼,元素是宇宙天生的還是製造出來的呢?

宇宙誕生初期只有氫氦元素和及少量的鋰元素,這是元素序號中排在1、2、3號最輕的幾種元素。

比它們重的一些元素,都是恆星核聚變生成的。

而且比26號元素鐵更重的元素,因為產生所要求的溫度和壓力特別高,只有超新星大爆炸或者緻密大質量天體相撞才能夠產生。

類似太陽質量左右的恆星,核心壓力和溫度最終只能生產出6號元素碳,整個梯級元素為氫(H)、氦(He)、鋰(Li)、鈹(Be)、硼(B)。

也就是說如果宇宙中都是太陽一樣的恆星,就只能產出以上6種。

質量大於太陽8倍的恆星,中心溫度可以維持梯級核聚變到26號元素鐵為止。這個世界上本來就只有鐵及以下的26種元素了,那麼這個世界就不會有我們和一切生物存在。

因為組成我們的基本元素就有60多種,加上一些可有可無的元素,人體中的元素有上百種。

好在大質量恆星會發生超新星大爆炸,這種爆炸可以產生億億個大氣壓,100億乃至上千億度的高溫,這樣我們已知的118種重元素就誕生了。

我們地球上怎麼會擁有宇宙中幾乎所有元素呢?

我們太陽系有宇宙中所有元素,是因為太陽系就是在一坨超新星大爆炸後的殘渣中生成的。

所有的恆星演化晚期都只是把核心燃料燒光了,絕大部分外圍的氫和氦等元素還保留著,這些元素,不管是紅巨星膨脹漸漸飄散到太空還是超新星大爆炸回歸太空,都會成為新的再生星雲,成為孕育恆星的「羊水」和「營養」。

這種再生星雲主要成分還是氫和氦,佔比在98以上,其他重元素只有不到2%。

但太陽就在這樣一坨殘渣中生成,當然就擁有了宇宙中幾乎全部元素種類。而這些元素更多的是集中在地球等幾顆類地行星上。

在太陽系,太陽佔據了99.86%的質量,其餘的所有行星和矮行星、衛星、小行星等加起來也才佔0.14%,地球只佔有0.0003%。

太陽是一個等離子體,主要由氫和氦組成,其他幾個氣態行星也主要由氫氦甲烷等組成。

宇宙中還有沒有發現的元素嗎?

完全有可能。

但這種可能不是說要在特殊天體上去找,而是人類目前科學水平有限,有些元素憑人類現有的能力很難發現,今後要發現很可能還是在地球上。

因為地球本身就是超新星大爆炸殘渣的聚合物,而且地球自從誕生以來,經歷了幾乎所有的宇宙極端事件,包括咖瑪射線暴的照射。

伽馬射線暴是超新星爆發,或黑洞、中子星等極端天體相撞的超級能量暴,是宇宙中頂級殺手,理論上沒有什么元素不能在這種巨大能量中產生。

這種極端能量產生的物質也漂浮在太空,也會飄落到地球上。地球已經存在45億年了,什麼世面沒見過?

現在人類還沒有發現宇宙中存在地球上沒有的元素。這不僅僅是人類派出的探測器收集回來的資料證明,而且人類現在已經觀測到百億光年的星系和恆星,不同的元素可以通過不同的光譜分析,迄今並沒有發現含有未知元素的光譜。

因此人類有可能還會發現新的元素,但這種新元素在地球上發現的可能性更大。

中子星上沒有新元素,只是極端密度的特殊物質。

現在來說說為什麼新元素不會在中子星上找到。

最簡單的答案就是中子星物質已經不是由我們認知的任何元素組成。

組成元素的基本單元是原子,中子星上極端的引力壓力下,原子被壓垮了,壓碎了,電子擠進了原子核,帶負電荷的電子與原子核中帶正電荷的質子柔和在一起,中和了,因此成為了中子。

這樣,加上原子核中原來的中子,實際上中子星就是由一堆中子組成,依靠中子簡併壓支撐著強大的引力壓,保持著中子態物質和中子星的形態。

而中子星的密度就相當原子核的密度,因此密度極端。

原子是由原子核和核外電子組成,核外電子由於動能形成一個堅實電子外殼。

原子半徑,也就是這個外殼的半徑約10^-10m,而原子核的半徑約10^-15~16m,原子半徑比原子核半徑大10~100萬倍。也就是說原子的體積至少比原子核要大千萬億倍,甚至億億倍。

而原子質量主要集中在原子核上,佔整個原子的99.96%。

電子外殼與原子核之間從質量意義上來說基本就是一個虛空狀態,因此普通由原子組成的物質都是很疏鬆的。

當巨大的壓力把原子壓垮了,把原子核都壓碎了,中子們擠在一起,物質不就縮小了千萬億倍,相當原子核的密度了。

一塊本來1.4g/cm^3的物質(太陽密度),增加千萬億倍,不就成了14億噸/cm^3了嗎?

因此中子星上面的物質已經不是由原子組成的物質,不管中子星之前由什麼物質組成,成為中子星後,都被從原子層面打碎了,物質的任何性質都不存在了。

有理論認為,整個中子星並不是完全由中子組成,從表層到深入一層層壓力越來越大才完全成為中子態的,這個就不討論了。

中子星的蛻變。

中子星上高緻密物質,在極端條件下,又會發生改變。

中子星相撞,上面的中子態物質撞到太空,脫離了中子星極端環境,就會很快貝塔衰變膨脹爆炸成為常態物質。

據科學家測算,2017年觀測到的兩顆中子星相撞引力波,這種撞擊撞出的物質,會形成300個地球質量的黃金,漂浮在太空。

地球上的黃金儲量,主要就是來源於這種天體事件。

而當一個中子星通過吸積,質量超過3.2個太陽,就會繼續坍縮成為一個黑洞,這時候,所有物質都無限坍縮到黑洞中心無限小的奇點上,別說元素,連物質都沒得做了。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

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    中子星是超大質量恆星在演化末期形成的一種高密度星體,密度在每立方釐米8000噸至20億噸之間。這意味著,如果你能從中子星上取一湯匙物質,它的質量比地球上一座山峰的質量還高。中子星上的物質只是密度極大,而這種高密度物質是在超強的引力作用下形成的,在普通環境下很難創造這種物質。
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  • 中子星1立方釐米重達10億噸,這種極端密度物質怎麼來的?
    人們對中子星物質充滿了好奇,科學家們說,上面的物質密度達到1立方釐米1億~20億噸,這是真的嗎?如果是真的,它是怎麼做到的呢?根據現有量子物理理論,原來它是這樣做到的。簡單點說,壓縮,使勁壓,壓縮到極致,就是中子星物質了。
  • 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。
  • 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?
    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。大質量恆星演化到生命後期,會經歷超新星爆炸,內核會形成緻密天體包括中子星和黑洞,實際上還有一種假想中的夸克星。中子星是什麼概念哪?
  • 中子星1立方釐米密度達10億噸,這種極端超重物質怎麼來的?
    人們對中子星物質充滿了好奇,科學家們說,上面的物質密度達到1立方釐米1億~20億噸,這是真的嗎?如果是真的,它是怎麼做到的呢?根據現有量子物理理論,原來它是這樣做到的。把一個地球這麼大的東西,壓到只有幾公分大,就基本成為中子星密度了;如果再壓,壓到只有9毫米直徑的一個球,任何物質就無法形成物質了,無限墜落到中心奇點上,就成為黑洞了。在人世間,是無法製造出這麼大的壓力的,只有巨大恆星爆炸,核心物質被極端壓力壓縮,才能夠成為中子星。
  • 中子星的密度高達每立方釐米十億噸,為何存在這麼高的密度?
    中子星的密度,基本就是原子核的密度,每立方釐米高達10億噸,中子星是宇宙中的極端天體,屬於恆星演化的產物之一。大質量恆星在演化末期,核聚變反應減弱導致自身引力佔據主導作用,使得恆星在自身引力作用下塌縮,從而形成超新星,並留下一個核心部分,如果核心部分的質量在1.44~3倍太陽質量之間,就有可能形成中子星。
  • 如果中子星上一塊1立方釐米大的物質軟著陸到地球,會發生什麼?
    中子星是宇宙中密度僅次於黑洞的恐怖天體,中子星密度非常大,指甲蓋大小的中子星物質,其質量可以與一座山相匹敵。中子星和黑洞都是恆星演化到生命末期可能形成的少數終點之一,質量沒有達到可以形成黑洞的恆星在生命末期可以形成一種密度在白矮星和黑洞之間的特殊天體,這就是中子星。絕大多數中子星都是脈衝星,但是中子星也不一定就是脈衝星,只有有脈衝的才可以稱作是脈衝星。簡單來說,中子星的密度在每一立方釐米1億噸到10億噸之間,也就是原子核的密度,這個密度相當於水密度的100萬億倍。