【科學科普】中子星密度極大,一立方釐米上億噸,這是什麼概念?

天空之城 2020/12/10 檢舉 我要評論

在一些極端條件下,物質的性質會發生翻天覆地的變化,比如密度。

文/天空之城

一大坨棉花經過擠壓,能夠裝在一個很小的盒子中;空氣經過壓縮後,體積也會變得很小。當壓力足夠大,物質被擠壓的非常厲害,密度也會變得超級的高,遠超你的想像。

在宇宙中有一類密度極大的星體——中子星,它是恒星死亡後的殘骸。而高速旋轉的中子星又被稱作脈衝星。中子星的質量一般介於1.5~3倍太陽質量之間,半徑則在10~20千米之間,表面溫度大約為1000萬℃。

中子星上一立方釐米的物質,質量高達1億噸以上,甚至10億噸。中子星是目前已知密度僅次於黑洞的天體。在宇宙中,密度比中子星更次一點的天體叫做白矮星。在常溫常壓下,水的密度為1克每立方釐米,而中子星的密度是水的密度的100萬億倍。

地球的平均半徑為6371公里,如果將地球壓成中子星,那麼地球的半徑將變為22米。像太陽這麼大的天體,壓縮到這種密度,半徑也只有10公里左右。

一立方釐米有多大?就是長寬高各一釐米的方塊糖般大小。1億噸,很多人對這個大小沒什麼概念。以世界上現役最大的航空母艦——美國尼米茲號航空母艦,它的滿載重量是10萬噸,1億噸大約相當於1000艘尼米茲號航母的滿載重量。

由於密度極大,大量的質量聚集在非常有限的空間內,中子星表面的引力場極其強大。表面的逃逸速度高達10萬~15萬千米每秒,如果從中子星表面發射火箭,速度必須要大於光速的1/3~1/2。然而,任何物體掉到中子星表面都會被撕碎。如此強大的引力,使得從中子星附近經過的光都要沿抛物線軌跡運動。

要形成如此強大的密度,必須要有非常強大的壓力。中子星是恒星死亡後的產物,恒星在死亡時會發生極其猛烈的大爆炸,餘下物質的質量大於1.5倍太陽質量(這個臨界質量被稱作錢德拉塞卡極限)、小於3倍太陽質量(奧本海默極限)時,會坍縮成中子星。一般質量在太陽質量8~20倍的恒星,最終都會演變成中子星。

中子星的密度實際上就是原子核的密度,你甚至可以把中子星看成一個巨大的原子核。

一般而言,原子就是物質的基本組成單元,地球上的萬物就是由不同種類的原子(或者說元素)構成的。原子又由原子核和核外電子構成,原子核則由質子和中子構成。中子和質子都是由誇克構成的,它們可以互相轉化。

原子核帶正電,電子帶負電,電子之所以沒有掉進原子核,就是由於存在電子簡並壓,這是由泡利不相容原理產生的。

只要壓力夠,任何物質都可以被壓縮。當壓力足夠大,超過電子簡並壓時,核外電子就會被擠進原子核內,與核內的質子結合形成中子,從而形成一種全新的物態——中子態。如果繼續施壓,中子簡並壓也抵抗不了,就會形成黑洞。

中子星上的物質大部分都是由中子構成的。在這種極端條件下,已經沒有化學元素的概念了,因為原子已經不存在了。而在白矮星上,物質還是以原子狀態存在的,只是原子間的距離已經被壓縮得不能再小了。

將1億噸的物質塞到一立方釐米的空間內,很多人覺得不可思議,那是因為你不瞭解原子內部究竟有多空曠。原子內部99%的空間都是“空”的,然而小小的原子核竟占原子質量的99%。如果原子有足球場般大,原子核就只相當於足球場上的一隻螞蟻,電子就更小了,並且以概率雲形式分佈在原子核周圍。

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