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中子星
中子星
中子星(中子星)
中子星，又名波霎（注：脈沖星都是中子星，但中子星不一定是脈沖星，我們必須要收到它的脈沖才算是）是恒星演化到末期，經(jīng)由重力崩潰發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點之一。簡而言之，即質(zhì)量沒有達(dá)到可以形成黑洞的恒星在壽命終結(jié)時塌縮形成的一種介于恒星和黑洞的星體，其密度比地球上任何物質(zhì)密度大相當(dāng)多倍。
目錄 概述 性質(zhì) 面積 天文信息 收縮展開 概述序言
如果你為白矮星的巨大密度而驚嘆不已的話，這里還有讓你更驚訝的呢！我們將在這里介紹一種密度更大的恒星：中子星。
簡介
中子星是除黑洞外密度最大的星體（根據(jù)最新的假說，在中子星和黑洞之間加入一種理論上的星體：夸克星），同黑洞一樣是20世紀(jì)激動人心的重大發(fā)現(xiàn)，為人類探索自然開辟了新的領(lǐng)域，而且對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，成為上世紀(jì)60年代天文學(xué)的四大發(fā)現(xiàn)之一。中子星的密度為千克/立方厘米， 也就是每立方厘米的質(zhì)量竟為一億噸之巨！是水的密度的一百萬億倍。對比起白矮星的幾十噸/立方厘米，后者似乎又不值一提了。如果把地球壓縮成這樣，地球的直徑將只有243米!事實上，中子星的質(zhì)量是如此之大，半徑十公里的中子星的質(zhì)量就與太陽的質(zhì)量相當(dāng)了。 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)量為太陽質(zhì)量的1.3~3.2倍時，它就有可能最后變?yōu)橐活w中子星，而質(zhì)量小于1.3個太陽的恒星往往只能變化為一顆白矮星。 但是，中子星與白矮星的區(qū)別，不只是生成它們的恒星質(zhì)量不同。它們的物質(zhì)存在狀態(tài)是完全不同的。 簡單地說，白矮星的密度雖然大，但還在正常物質(zhì)結(jié)構(gòu)能達(dá)到的最大密度范圍內(nèi)：電子還是電子，原子核還是原子核，原子結(jié)構(gòu)完整。而在中子星里，壓力是如此之大，白矮星中的簡并電子壓再也承受不起了：電子被壓縮到原子核中，同質(zhì)子中和為中子，使原子變得僅由中子組成。而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的�？梢赃@樣說，中子星就是一個巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的質(zhì)量非常大由于巨大的質(zhì)量就連光線都是呈拋物線掙脫。 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)”。 中子星，是恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點之一。恒星在核心的氫、氦、碳等元素于核聚變反應(yīng)中耗盡，當(dāng)它們最終轉(zhuǎn)變成鐵元素時便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質(zhì)受重力牽引會急速向核心墜落，有可能導(dǎo)致外殼的動能轉(zhuǎn)化為熱能向外爆發(fā)產(chǎn)生超新星爆炸，或者根據(jù)恒星質(zhì)量的不同，恒星的內(nèi)部區(qū)域被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。白矮星被壓縮成中子星的過程中恒星遭受劇烈的壓縮使其組成物質(zhì)中的電子并入質(zhì)子轉(zhuǎn)化成中子，直徑大約只有十余公里，但上頭一立方厘米的物質(zhì)便可重達(dá)十億噸，且旋轉(zhuǎn)速度極快，而由于其磁軸和自轉(zhuǎn)軸并不重合，磁場旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的無線電波等各種輻射可能會以一明一滅的方式傳到地球，有如人眨眼，故又稱作脈沖星。 一顆典型的中子星質(zhì)量介于太陽質(zhì)量的1.35到2.1倍，半徑則在10至20公里之間（質(zhì)量越大半徑收縮得越小），也就是太陽半徑的30,000至70,000分之一。因此，中子星的密度在每立方厘米克至克間，此密度大約是原子核的密度。 致密恒星的質(zhì)量低于1.44倍太陽質(zhì)量，則可能是白矮星，但質(zhì)量大于奧本海默-沃爾可夫極限（3.2倍太陽質(zhì)量）的恒星會繼續(xù)發(fā)生引力坍縮，則無可避免的將產(chǎn)生黑洞。 由于中子星保留了母恒星大部分的角動量，但半徑只是母恒星極微小的量，轉(zhuǎn)動慣量的減少導(dǎo)致了轉(zhuǎn)速迅速的增加，產(chǎn)生非常高的自轉(zhuǎn)速率，周期從毫秒脈沖星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有強(qiáng)大的表面重力，強(qiáng)度是地球的到倍。逃逸速度是將物體由重力場移動至無窮遠(yuǎn)的距離所需要的速度，是測量重力的一項指標(biāo)。一顆中子星的逃逸速度大約在10,000至150,000公里/秒之間，也就是可以達(dá)到光速的一半。換言之，物體落至中子星表面的最大重力加速度將達(dá)到150,000公里/秒的平方。更具體的說明，如果一個普通體重（70公斤）的人遇到了中子星，他撞擊到中子星表面的能量將相當(dāng)于二億噸核爆的威力（四倍于全球最巨大的核彈大沙皇的威力）。
發(fā)現(xiàn)
1934年巴德和茲威基分別提出了中子星的`概念﹐而且指出中子星可能產(chǎn)生于超新星的爆發(fā)。1939年奧本海默和沃爾科夫通過計算建立了第一個定量的中子星模型，但他們采用的物態(tài)方程是理想的簡并中子氣模型。 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。 雖然早在30年代，中子星就作為假說而被提了出來，但是一直沒有得到證實，人們也不曾觀測到中子星的存在。而且因為理論預(yù)言的中子星密度大得超出了人們的想象，在當(dāng)時，人們還普遍對這個假說抱懷疑的態(tài)度。直到1967年，由英國科學(xué)家休伊什的學(xué)生喬絲琳·貝爾首先發(fā)現(xiàn)了脈沖星。 經(jīng)過計算，它的脈沖強(qiáng)度和頻率只有像中子星那樣體積小、密度大、質(zhì)量大的星體才能達(dá)到。這樣，中子星才真正由假說成為事實。這真是本世紀(jì)天文學(xué)上的一件大事。因此，脈沖星的發(fā)現(xiàn)，被稱為二十世紀(jì)六十年代的四大天文學(xué)重要發(fā)現(xiàn)之一。 1967年，天文學(xué)家偶然接收到一種奇怪的電波。這種電波每隔1—2秒發(fā)射一次，就像人的脈搏跳動一樣。人們曾一度把它當(dāng)成是宇宙人的呼叫，轟動一時。后來，英國科學(xué)家休伊什終于弄清了這種奇怪的電波，原來來自一種前所未知的特殊恒星，即脈沖星。這一新發(fā)現(xiàn)使休伊什獲得了1974年的諾貝爾獎。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的脈沖星已超過300個，它們都在銀河系內(nèi)。蟹狀星云的中心就有一顆脈沖星。 脈沖星是本世紀(jì)60年代四大天文發(fā)現(xiàn)之一 (其他三個是：類星體、星際有機(jī)分子、宇宙3K微波輻射)。因為它不停地發(fā)出無線電脈沖,而且兩個脈沖之間的間隔(脈沖周期)十分穩(wěn)定，準(zhǔn)確度可以與原子鐘媲美。各種脈沖星的周期不同，長的可達(dá)4.3秒，短的只有0.3秒，甚至毫秒級。 中子星一邊自轉(zhuǎn)一邊發(fā)射像電子束一樣的電脈沖。該電脈沖像燈塔發(fā)出的光一樣，以一定的時間隔掠過地球。當(dāng)它正好掠過地球時，我們就可以測定它的有關(guān)數(shù)值。 脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，但并不是所有的中子星都是脈沖星。因為當(dāng)中子星的輻射束不掃過地球時，我們就接收不到脈沖信號，此時中子星就不表現(xiàn)為脈沖星了。 中子星很小，一般半徑只有10千米，質(zhì)量卻和太陽差不多，質(zhì)量下限是0.1個太陽的質(zhì)量，上限是3.2個太陽的質(zhì)量(據(jù)愛因斯坦的廣義相對論,可以達(dá)到這個水平)。是一種密度比白矮星還高的超密度恒星。
前身
中子星的前身一般是一顆質(zhì)量比太陽大8倍的恒星。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)足足有一億噸重甚至達(dá)到十億噸。 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，收縮使中子星成為一塊極強(qiáng)的“磁鐵”，這塊“磁鐵”在它的某一部分向外發(fā)射出電波。當(dāng)它快速自轉(zhuǎn)時，就像燈塔上的探照燈那樣，有規(guī)律地不斷向地球掃射電波。當(dāng)發(fā)射電波的那部分對著地球時，我們就收到電波；當(dāng)這部分隨著星體的轉(zhuǎn)動而偏轉(zhuǎn)時，我們就收不到電波。所以，我們收到的電波是間歇的。這種現(xiàn)象又稱為“燈塔效應(yīng)”。
演化狀態(tài)
中子星并不是恒星的最終狀態(tài)，它還要進(jìn)一步演化。由于它溫度很高，能量消耗也很快，因此，它通過減慢自轉(zhuǎn)以消耗角動量維持光度。當(dāng)它的角動量消耗完以后，中子星將變成不發(fā)光的黑矮星。
性質(zhì)作為一顆中子星，中子星具有許多非常獨特的性質(zhì)，這些性質(zhì)使我們大開眼界。因為，它們都是在地球?qū)嶒炇抑杏肋h(yuǎn)也無法達(dá)到的，從而使我們更加深入地認(rèn)識到恒星的一些本質(zhì)。概括起來說，這些性質(zhì)是：
大小
無例外地都是很小的，小得出奇。它的典型直徑有2547千米。可是，就是這么顆小個子恒星，卻有那么多的極端的物理條件，也真是夠驚人的！
密度
密度大得驚人。密度一般用1立方厘米有多少克來表示，水的密度是每立方厘米重1克，鐵是7.9克，汞是13.6克。如果我們從脈沖星上面取下1立方厘米物質(zhì)，稱一下，它可重1億噸以上、甚至達(dá)到10億噸。假定我們地球的密度也達(dá)到這種聞所未聞的驚人程度的話，那它的平均半徑就不是6371公里，而只有22米！
溫度
溫度高得驚人。據(jù)估計，中子星的表面溫度就可以達(dá)到457632度，中心還要高數(shù)1000倍，譬如說達(dá)到60億度。我們以太陽來作比較，就可以有個稍具體的概念：太陽表面溫度6000℃不到，越往里溫度越高，中心溫度約1500萬度。形成的第一天，它的冷卻是經(jīng)過所謂的烏卡（URCA)過程，內(nèi)部的溫度降到1億K時，烏卡過程就停止了，其它的中微子過程繼續(xù)主導(dǎo)冷卻。1000年后冷卻由光輻射主導(dǎo)。此后大約1萬年的時間里，表面溫度一直維持在K左右。
壓強(qiáng)
壓強(qiáng)大得驚人。我們地球中心的壓強(qiáng)大約是300多萬個大氣壓，即我們平常所說的1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的300多萬倍。脈沖星的中心壓強(qiáng)據(jù)認(rèn)為可以達(dá)到個大氣壓，比地心壓強(qiáng)強(qiáng)倍，比太陽中心強(qiáng)倍。
磁場
特別強(qiáng)的磁場。在地球上，地球磁極的磁場強(qiáng)度最大，但也只有0．7高斯（高斯是磁場強(qiáng)度的單位）。太陽黑子的磁場更是強(qiáng)得不得了，約1000～4000高斯。而大多數(shù)脈沖星表面極區(qū)的磁場強(qiáng)度就高達(dá)10000億高斯，甚至20萬億高斯。 脈沖星都是我們銀河系內(nèi)的天體，距離一般都是幾千光年，最遠(yuǎn)的達(dá)55000光年左右。根據(jù)一些學(xué)者的估計，銀河系內(nèi)中子星的總數(shù)至少應(yīng)該在20萬顆以上，到80年代末，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的還不到估計數(shù)的千分之五。今后的觀測、研究任務(wù)還很艱巨。 中子星從發(fā)現(xiàn)至今，只有短短二三十年的時間，盡管如此，不論在推動天體演化的研究方面，在促進(jìn)物質(zhì)在極端條件下的物理過程和變化規(guī)律的研究方面，它已經(jīng)為科學(xué)家們提供了非常豐富而不可多得的觀測資料，作出了貢獻(xiàn)。同時，它也在這個新開拓的領(lǐng)域內(nèi)，向人們提出了一連串的問題和難解的謎。
能量輻射
中子星的能量輻射是太陽的100萬倍，約為瓦特。按照世界上的用電情況.它在一秒鐘內(nèi)輻射的總能量若全部轉(zhuǎn)化為電能，就夠我們地球用上幾十億年。
結(jié)構(gòu)
從中子星表面到中心，密度從通常的鐵晶體密度很快增加到g/。中子星外部有一層等離子體，表面以內(nèi)是固體外殼，主要由Fe原子核的晶格點陣和簡并自由電子氣構(gòu)成，密度為。從外向內(nèi)密度逐漸增加，高到迫使電子同核內(nèi)質(zhì)子結(jié)合成一系列富含中子的核，例如,接著過渡到內(nèi)核，開始有自由中子出現(xiàn)，這個過程稱為中子漏（neutron drip)。外殼和內(nèi)殼都是固態(tài)的，總厚度大約為1km.內(nèi)殼以內(nèi)是核區(qū)，當(dāng)密度增加到時，原子核就完全離解消失，中子星物質(zhì)變成雜有少量電子，質(zhì)子的連續(xù)中子流體。 中子星內(nèi)部的主要物理特征
面積中子星的面積為約30---300平方千米，地球5.1億平方千米，地球面積是中子星的近170 000 000多倍
天文信息天文望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了迄今轉(zhuǎn)速最快的中子星，每秒旋轉(zhuǎn)1122圈,比地球自轉(zhuǎn)快1億倍。 最先觀測到這顆星的西班牙天文學(xué)家?guī)炜死照f，早在1999年便已發(fā)現(xiàn)了這顆代號為J1739-285的中子星,但不久前才通過望遠(yuǎn)鏡算出它的轉(zhuǎn)速。 這顆中子星的直徑2547千米，但質(zhì)量卻與太陽相近,其密度驚人，高達(dá)每立方厘米100000000噸。其巨大引力從臨近恒星不斷奪取大量炙熱氣體,并不斷誘發(fā)熱核爆炸。 天文學(xué)家正是通過這種現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)了它。此前的中子星自轉(zhuǎn)紀(jì)錄是每秒716圈，恒星轉(zhuǎn)速一般在每秒270-715 圈。700圈曾被認(rèn)為是天體旋轉(zhuǎn)極限,按當(dāng)今的物理學(xué)理論，轉(zhuǎn)速超過此極限,恒星將被強(qiáng)大離心力摧毀或化 為黑洞。但最新發(fā)現(xiàn)否定了這一看法。 理論上，每秒1122轉(zhuǎn)并不是旋轉(zhuǎn)極限,大型中子星轉(zhuǎn)速有可能高達(dá)3000轉(zhuǎn)。令天文學(xué)家困惑的是，為什么天體在高速旋轉(zhuǎn)的強(qiáng)大離心力下,卻依然會不斷收縮，而且不損失自身物質(zhì)。
發(fā)現(xiàn)脈沖星
1967年10月，劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的安東尼·休伊什教授的研究生——24歲的喬絲琳·貝爾檢測射電望遠(yuǎn)鏡收到的信號時無意中發(fā)現(xiàn)了一些有規(guī)律的脈沖信號，它們的周期十分穩(wěn)定，為1.337秒。起初她以為這是外星人“小綠人（LGM）”發(fā)來的信號，但在接下來不到半年的時間里，又陸陸續(xù)續(xù)發(fā)現(xiàn)了數(shù)個這樣的脈沖信號。后來人們確認(rèn)這是一類新的天體，并把它命名為脈沖星(Pulsar，又稱波霎)。脈沖星與類星體、宇宙微波背景輻射、星際有機(jī)分子一道，并稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”。 然而，榮譽(yù)出現(xiàn)了歸屬爭議。1974年諾貝爾物理學(xué)獎桂冠只戴在導(dǎo)師休伊什的頭上，完全忽略了學(xué)生貝爾的貢獻(xiàn)，輿論一片嘩然。英國著名天文學(xué)家霍伊爾爵士在倫敦《泰晤士報》發(fā)表談話，他認(rèn)為，貝爾應(yīng)同休伊什共享諾貝爾獎，并對諾貝爾獎委員會授獎前的調(diào)查工作欠周密提出了批評，甚至認(rèn)為此事件是諾貝爾獎歷史上一樁丑聞、性別歧視案�；粢翣栠�認(rèn)為，貝爾的發(fā)現(xiàn)是非常重要的，但她的導(dǎo)師竟把這一發(fā)現(xiàn)扣壓半年，從客觀上講就是一種盜竊。更有學(xué)者指出，“貝爾小姐作出的卓越發(fā)現(xiàn)，讓她的導(dǎo)師休伊什贏得了諾貝爾物理獎”。著名天文學(xué)家曼徹斯特和泰勒所著《脈沖星》一書的扉頁上寫道：“獻(xiàn)給喬瑟琳·貝爾，沒有她的聰明和執(zhí)著，我們不能獲得脈沖星的喜悅�！� 關(guān)于脈沖星真正發(fā)現(xiàn)者的爭論和對諾貝爾獎委員會的質(zhì)疑，已經(jīng)歷了40年。40年后的今天,它再次成為關(guān)注話題。回首往事，作為導(dǎo)師的休伊什獲得了諾貝爾獎，無可厚非，但貝爾失去殊榮，卻令人感到惋惜。如果沒有貝爾對“干擾”信號一絲不茍的追究，他們可能錯過脈沖星的發(fā)現(xiàn)。若把諾貝爾獎“競賽”比作科學(xué)“奧運會”，那么，40年前的“裁判”們顯然吹了“黑哨”，至少是誤判，這玷污了諾貝爾獎的科學(xué)公正權(quán)威性。 貝爾訪問北京期間，筆者與她談起脈沖星的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷和對諾貝爾獎的看法，她說，脈沖星發(fā)現(xiàn)后不久，她就被迫離開了劍橋大學(xué)。沉默稍許,她直言，上世紀(jì)60年代，科學(xué)機(jī)構(gòu)普遍存在忽視學(xué)生貢獻(xiàn)的傾向，特別是女學(xué)生。導(dǎo)師經(jīng)常以“上級領(lǐng)導(dǎo)”自居,將學(xué)生成果竊為己有，然后想辦法把學(xué)生一腳踢開。然而,1993年，兩位美國天文學(xué)家因發(fā)現(xiàn)脈沖星雙星而榮獲諾貝爾獎時，諾貝爾獎委員會格外精心，邀請貝爾參加了頒獎儀式，算是一種補(bǔ)償吧。1968年,離開劍橋后，她和休伊什沒有再合作，直到上世紀(jì)80年代，他們才在一次國際會議上相見，并握手言和。脈沖星發(fā)現(xiàn)以來，除了諾貝爾獎，她榮獲了十幾項世界級科學(xué)獎，并成為科學(xué)大使。
中子星和黑洞
中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最強(qiáng)大的兩類頗具神秘感的天體。光是中子星就已經(jīng)夠不可思議了，偏偏還要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和無底深淵，沒有物質(zhì)能擺脫它的強(qiáng)大引力，包括光線。在它附近，今天的所有物理定律都顯得不適用了。
恒星末期
我們知道，當(dāng)恒星走完其漫長的一生后，小質(zhì)量和中等質(zhì)量的恒星將成為一顆白矮星，大質(zhì)量和超大質(zhì)量的恒星則會導(dǎo)致一次超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)后恒星如何演變將取決于剩下星核的質(zhì)量。印度天體物理學(xué)家昌德拉塞卡于上世紀(jì)三十年代末發(fā)現(xiàn)，當(dāng)留下的星核質(zhì)量達(dá)到太陽的一點四倍時，其引力將大到足以把星核內(nèi)的原子壓縮到使電子和質(zhì)子結(jié)合成中子的程度。此時這顆星核就成了一顆中子星，其密度相當(dāng)于把一個半太陽的質(zhì)量塞進(jìn)直徑約二十四公里的一個核內(nèi)。 這是一個單個的中子星，其表面溫度高達(dá)一百二十多萬度，直徑只有二十八公里。(HST) 以兩百倍音速高速運動著的中子星，距地球約兩百光年。三十萬年后將對地球產(chǎn)生輕微影響。(HST) 在星系中漂浮的單個恒星級黑洞，它引起的引力透鏡現(xiàn)象使位于其后方的恒星產(chǎn)生了兩個像。(HST) 位于NGC6251中心發(fā)出強(qiáng)烈紫外線輻射的塵埃盤，其內(nèi)部可能存在一個巨型黑洞。(HST) 橢圓星系NGC7052中心的塵埃盤，其中央可能有一個質(zhì)量為太陽三億倍的超級黑洞。(HST) 人馬座A(NGC5128)星系中心的塵埃盤，其中有一個巨大的超級黑洞。(HST) 銀河系的中心人馬座A*據(jù)說也是一個黑洞。
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