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人们对中子星物质充满了好奇,科学家们说,上面的物质密度达到1立方厘米1亿~20亿吨,这是真的吗?如果是真的,它是怎么做到的呢?

根据现有量子物理理论,原来它是这样做到的。

简单点说,压缩,使劲压,压缩到极致,就是中子星物质了。

理论上这个压力要把原子压碎,电子压进原子核里,与质子正负抵消变成了中子,加上原来原子核里本来的中子,整个星球都变成了一堆中子,这就是中子星了。

把一个地球这么大的东西,压到只有几公分大,就基本成为中子星密度了;如果再压,压到只有9毫米直径的一个球,任何物质就无法形成物质了,无限坠落到中心奇点上,就成为黑洞了。

在人世间,是无法制造出这么大的压力的,只有巨大恒星爆炸,核心物质被极端压力压缩,才能够成为中子星。

中子星的最小质量是太阳的1.44倍,这个叫钱德拉塞卡极限,是一位叫苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡的美籍印度裔天文学家计算出来的,因此以他的名字命名这个临界点。

一颗典型的中子星质量在太阳的1.44倍到3.2倍之间,其半径只有10公里左右。

我们随便算一下,就知道这个密度有多大了。

太阳质量为1.9891×10^30kg,半径约69.6万公里,把它压缩到一个几公里半径的球,想想这个密度?

我们现在来计算一个半径10公里,质量为太阳2倍中子星的密度。

球体积计算公式:V=(4/3)πr^3

10公里半径中子星体积(cm³)=(4/3)3.14159x(10^18)=4.19×10^18cm³

密度=2x(1.9891×10^30)/(4.19×10^18)≈9.49亿吨/cm³

多大的恒星才能够形成中子星呢?

科学研究认为,质量大于太阳8倍到30~40倍左右的恒星,在死亡时会发生超新星大爆炸,100亿度以上的高温和巨大的压力,会把恒星大多数物质抛散到太空中,只能够留下一个约1.44倍以上到3倍太阳质量的核心,这个核心就是中子星。

中子星上的压力有多大呢?

我们知道在地球上地心压力最大,约300多万个大气压;太阳中心压力约3000亿个大气压。但这些压力在中子星上就是小巫见大巫了。

中子星的压强可以达到10^28个大气压,也就是1万亿亿亿个大气压,比地心压力大33万亿亿倍,比太阳中心压力大3.3亿亿倍。

在这样强大的压力下,中子星就是依靠量子简并压支撑着自己不被压垮。

何谓量子简并压?这个理论是基于泡利不相容原理。

泡利不相容原理认为,在粒子世界,比如电子、中子、质子等费米子,它们都有一种孤僻的特性,不愿意和自己相同的粒子挤在一起,中间就产生了一种相互排斥的压力。

当物质处于一般的压强下,物质依靠原子之间电磁力支撑保持着形状。

原子核占据了原子质量的99.96以上,体积却只占有万亿分之一。因此电子壳充斥着一个巨大的空间,我们常见的物质实际上是一个稀松的状态。

当压力到了一定程度后,原子间的电磁力就无法顶住万有引力挤压,原子就无法保持这种“悠闲”的状态了,原子的电子壳层被压碎,形成自由电子在晶格中穿行。

原子核还能保持原来的形状,但就不是“悠闲”的坐镇中心了,而是漂浮在电子海洋中。

这些电子被挤压在一个较低轨道,泡利不相容原理不容许两个电子处在同一状态,相互靠近的电子就产生了排斥力,这样就抵抗住引力压力,使星球的体积不再缩小。

这种依靠电子简并压抵御万有引力压的星球就是白矮星。

一般认为,白矮星是太阳0.8倍~8倍之间的恒星死亡后的归宿,其剩余质量在太阳0.5倍以上~1.44倍以下,半径约与地球差不多。

有研究认为,太阳死亡形成的白矮星密度可能达到1.41×10^11 kg/m³。

当白矮星质量超过现在太阳质量的1.44倍时,电子简并压就无法支撑更巨大的万有引力压力了,就会继续坍缩,物质再也没有了原有的任何性质,再也不是我们认知的任何元素了。

但几乎整个星球都成为中子后,激发了比电子简并压更强大的中子简并压,就阻止了星球体积的进一步缩小,这就是中子星。

当然,整个中子星并非“中子一块”,也是分层次的。

中子星表面是一层等离子体,然后是固体外壳,主要由Fe原子核晶格点阵和简并自由电子气构成,密度约10^6g/cm^-3;然后密度逐渐增加,渐渐出现自由中子,1公里后到达内壳,密度增加到2×10^14g/cm^-3时,原子核完全分离消失,整个物态呈现出一种夹杂着少量电子和质子的中子流体。

当中子星通过吸积,超过了奥本海默极限,也就是约3.2个太阳质量,中子简并压也垮台了,无限坍缩形成,最终形成黑洞。

在白矮星变成中子星,中子星变成黑洞这个过程中,不一定会平稳过渡。

在钱德拉塞卡极限和奥本海默极限临界点上,一般都会发生轰轰烈烈的事件。

由于达到了一个临界点,抵御能力突然垮塌,形成剧烈坍缩,突增极高的温度压力导致星体的热核失控,就会发生爆轰,这就是所谓的la超新星爆发。

超新星爆发后有可能整个星球全部炸碎为齑粉,物质抛洒回归太空;也可能残留质量形成新的白矮星或者中子星,主要看爆发成因和残留质量有多少。

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