1立方公分的中子星物質重達10億噸,把它放在地球上會發生什麼

田園牧哥 2020/04/28 檢舉 我要評論

宇宙中存在著很多巨大品質的恒星,當它們內部的燃料消耗完之後,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,如果其殘留核心的品質大於1.44個太陽品質(錢德拉塞卡極限)又小於3.2個太陽品質(奧本海默極限),那麼它就成了中子星。

在所有已知的天體中,中子星的密度是僅次於黑洞的,假如把地球壓縮成中子星的平均密度,地球的半徑就會從現有的6371公里縮短為大約11米。那麼一個有趣的問題就來了:如果把1立方公分的中子星物質輕輕地放在地球上,會發生什麼呢?

中子星的半徑一般在10公里到20公里之間,半徑越大密度就越大,理論上來講,中子星的最小密度大約為8000萬噸/立方公分,而最大密度則可以達到20億噸/立方公分,為了方便討論,我們不妨取一個容易計算的中間值,即10億噸/立方公分。

也就是說,1立方公分的中子星物質重達10億噸,那麼把它放在地球上會發生什麼呢?這其實就相當於把一個10億噸的物體壓在面積僅為1平方公分地球表面上(假設它是個正立方體),我們不需要任何計算就可以得出,在地球上根本就沒有任何的物質能夠抵擋得住這坨中子星物質在地球表面所產生的壓強,因此可以說,這坨中子星物質就會在重力的作用下幾乎不受阻礙地向地心墜落。

但這坨中子星物質並不會像想像中的那樣一直抵達地心,中子星物質能夠保持如此大的密度,是因為中子星本身的強大引力所造成的,而當它到了地球以後,這種束縛中子的力量就消失了,再加上中子星物質的溫度極高(一顆穩定的中子星表面溫度大約為100萬K),所以說這坨中子星物質的體積就會迅速增大。

由於這坨中子星物質本身的密度極高,即使是體積增大了,在短時間內也可以產生強大的壓強,因此它會一邊膨脹一邊向地心墜落,在這個過程中,它周圍的物質也會因為高溫而被快速電離並迅速膨脹,並引發一場小規模的爆炸(相對整個地球而言)。

然而以上並不是重點,中子在脫離束縛後就成了自由中子,而自由中子是很不穩定的,它們的半衰期大約為611秒,也就是說,在大約10分鐘之後,有一半的中子星物質就會完成衰變,再過10分鐘,剩下的中子又有一半完成衰變,如此反復直到變無可變。中子的衰變屬於β衰變,即一個中子釋放出一個電子和一個反中微子,同時自身轉變為一個穩定的質子(如下圖所示)。

一個中子的品質約為1.6745 x 10^-27千克,一個質子的品質約為1.6726 x 10^-27千克,一個電子的品質約為9.10956×10^-31千克,我們可以看到,在發生了β衰變之後,中子的品質減少了0.15%左右(注:反中微子雖然也有品質,但是卻非常小,這裡可以忽略不計)。這個減少的品質到哪裡去了呢?愛因斯坦告訴我們,它們變成了能量,並且他還給出了質能方程式,即 E = MC^2(C為光速常量)。

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