中子星是除黑洞之外密度最大的天體
北京時間4月16日消息，據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站報道，中子星是宇宙中除黑洞之外密度最大的天體，其每立方厘米的質(zhì)量高達(dá)1億噸。美國科學(xué)家進(jìn)行的最新模擬研究顯示，中子星不僅密度極大，而且其外殼還非常堅硬，其硬度超過鋼鐵的100億倍。
中子星又稱脈沖星，是宇宙中除黑洞之外密度最大的天體，和黑洞一樣，它也是20世紀(jì)60年代最重大的天體發(fā)現(xiàn)之一。美國印地安那大學(xué)伯明頓分校科學(xué)家查爾斯-霍洛維茨介紹，對于中子星的研究，目前還有許多未解之謎。其中最重要的一個難題就是關(guān)于中子星外殼的硬度。中子星通常被認(rèn)為是由中子溶液所構(gòu)成，外表覆蓋一層固態(tài)外殼。這層外殼又是由富含中子的原子晶體所組成。由于實(shí)驗室實(shí)驗?zāi)壳斑€無法復(fù)制中子星表面的這種極端環(huán)境，因此天文學(xué)家們此前大多都是假定中子星外殼的硬度與地球上最堅硬的物體相似。但是，霍洛維茨等科學(xué)家卻通過最新的計算機(jī)模擬實(shí)驗揭示，中子星的外殼比假定的硬度還要硬得多。由于巖石和鋼鐵晶體通常會有裂縫或缺口，因此它們可能會發(fā)生破碎。
但是，中子星上的極端高壓讓所有可能產(chǎn)生破碎的裂縫消失。在這種條件下，于是就生成了特別純潔的晶體，因此它們很難破碎。1立方米大小的中子星外殼與同樣大小的不銹鋼體在受到同樣的擠壓條件下，在中子星外殼被壓變形之前，不銹鋼體可能已經(jīng)破碎了20多次?；袈寰S茨解釋說，在中子星外殼中，原子相互之間的緊密程度比鋼鐵原子的緊密程度要高得多，因此，它的抗壓破碎點(diǎn)比鋼鐵要高出100億倍。賓夕法尼亞州立大學(xué)科學(xué)家本杰明-歐文認(rèn)為，這一模擬實(shí)驗驗證了此前人們對中子星外殼硬度的猜疑。“雖然近些年來已經(jīng)有跡象表明中子星外殼硬度要比想象中高得多，但此模擬實(shí)驗卻是首次完成了完整的計算。”
更硬的外殼意味著中子星可以支持比想象中更大的隆起物，也就是說可以在其表面隆起10厘米高的“小山包”，這個“小山包”甚至可以延伸數(shù)公里。歐文介紹說，在其他所有條件相同的情況下，中子星表面的“小山包”最大高度現(xiàn)在已經(jīng)是此前想象高度的10倍。相應(yīng)地，這樣就會在中子星表面產(chǎn)生比此前計算的多出100倍能量的引力波。于是，美國激光干涉引力波天文臺就可以根據(jù)這一結(jié)論進(jìn)行地面實(shí)驗來發(fā)現(xiàn)中子星的信號。此外，模擬實(shí)驗還對星震的研究有很大的幫助。當(dāng)強(qiáng)烈的磁場分裂中子星外殼時就可能會引發(fā)星震。外殼越硬，也就意味著星震可能會產(chǎn)生越強(qiáng)的伽馬射線和引力波。當(dāng)恒星收縮為中子星后，自轉(zhuǎn)就會加快，能達(dá)到每秒幾圈到幾十圈。同時，收縮使得中子星成為一塊極強(qiáng)的“磁鐵”，這塊“磁鐵”在它的某一部分一直向外發(fā)射出電波。
霍洛維茨還介紹說，中子星的前身一般是一顆質(zhì)量比太陽大的恒星。它在爆發(fā)坍縮過程中產(chǎn)生的巨大壓力，使它的物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化。在這種情況下，不僅原子的外殼被壓破了，而且連原子核也被壓破了。原子核中的質(zhì)子和中子便被擠出來，質(zhì)子和電子擠到一起又結(jié)合成中子。最后，所有的中子擠在一起，形成了中子星。顯然，中子星的密度，即使是由原子核所組成的白矮星也無法和它相比。在中子星上，每立方厘米物質(zhì)足足有10億噸重。中子星的質(zhì)量極大，一個中子化的火柴盒大小的物質(zhì)，需要約十萬個火車頭才能拉動。中子星的能量輻射是太陽的100萬倍。按照目前世界上的用電情況，它在一秒鐘內(nèi)輻射的總能量若全部轉(zhuǎn)化為電能，就夠人類用上幾十億年。
同白矮星一樣，中子星是處于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不過能夠形成中子星的恒星，其質(zhì)量更大罷了。根據(jù)科學(xué)家的計算，當(dāng)老年恒星的質(zhì)量大于十個太陽的質(zhì)量時，它就有可能最后變?yōu)橐活w中子星，而質(zhì)量小于十個太陽的恒星往往只能變化為一顆白矮星。在形成的過程方面，中子星同白矮星是非常類似的。當(dāng)恒星外殼向外膨脹時，它的核受反作用力而收縮。核在巨大的壓力和由此產(chǎn)生的高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜的物理變化，最后形成一顆中子星內(nèi)核。而整個恒星將以一次極為壯觀的爆炸來了結(jié)自己的生命。這就是天文學(xué)中著名的“超新星爆發(fā)”。(劉妍) 5-49
