中子星 (一種星體)

中子星(neutron star)是恒星演化到末期,經由重力崩潰發生超新星爆炸之後,可能成為的少數終點之一,品質沒有達到可以形成黑洞的恒星在壽命終結時塌縮形成的一種介於白矮星和黑洞之間的星體,其密度比地球上任何物質密度大相當多倍。絕大多數的脈衝星都是中子星,但中子星不一定是脈衝星,有脈衝才算是脈衝星。

天體名稱
中子星
外文名
neutron star
面積
約300平方公里
意義
黑洞外密度最大的星體(已觀測)
逃逸速度
在10,000至150,000千米/秒之間
表面溫度
超過1000萬攝氏度
內部溫度
超過60億攝氏度
半徑
10—30公里

1起源

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中子星是除黑洞外密度最大的星體(根據最新的假説,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世紀激動人心的重大發現,為人類探索自然開闢了新的領域,而且對現代物理學的發展産生了深遠影響,成為上世紀60年代天文學的四大發現之一。中子星的密度為每立方釐米8×10的13次方克至2×10的15次方克之間也就是每立方釐米的品質為8千萬到20億噸之巨!此密度也就是原子核的密度,是水的密度的一百萬億倍。對比起白矮星的幾十噸/立方釐米,後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22米!事實上,中子星的密度是如此之大,半徑十公里的中子星的品質就與太陽的品質相當了。

同白矮星一樣,中子星是處於演化後期的恒星,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,其品質更大罷了。根據科學家的計算,當老年恒星的品質為太陽品質的約8~2、30倍時,它就有可能最後變為一顆中子星,而品質小于8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別,不只是生成它們的恒星品質不同。它們的物質存在狀態是完全不同的。

簡單地説,白矮星的密度雖然大,但還在正常物質結構能達到的最大密度範圍內:電子還是電子,原子核還是原子核,原子結構完整。而在中子星裏,壓力是如此之大,白矮星中的電子簡並壓再也承受不起了:電子被壓縮到原子核中,同質子中和為中子,使原子變得僅由中子組成,中子簡並壓支撐住了中子星,阻止它進一步壓縮。而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的。可以這樣説,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。中子星的品質非常大以至於巨大的引力讓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産生的高溫下發生一系列複雜的物理變化,最後形成一顆中子星內核。而整個恒星將以一次極為壯觀的爆炸來了結自己的生命。這就是天文學中著名的“超新星爆發”。

中子星,是恒星演化到末期,經由引力坍縮發生超新星爆炸之後,可能成為的少數終點之一。恒星在核心的氫、氦、碳等元素于核聚變反應中耗盡,當它們最終轉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週邊物質受重力牽引會急速向核心墜落,有可能導致外殼的動能轉化為熱能向外爆發産生超新星爆炸,或者根據恒星品質的不同,恒星的內部區域被壓縮成白矮星、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中的電子併入質子轉化成中子,直徑大約只有十余公里,但上頭一立方釐米的物質便可重達十億噸,且旋轉速度極快,而由於其磁軸和自轉軸並不重合,磁場旋轉時所産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,故又稱作脈衝星。

一顆典型的中子星品質介於太陽品質的1.35到2.1倍,半徑則在10至20公里之間(品質越大半徑收縮得越大),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釐米  克至  克間,此密度大約是原子核的密度。 緻密恒星的品質低於1.44倍太陽品質,則可能是白矮星,但品質大於奧本海默-沃爾可夫極限(1.5-3.0倍太陽品質)的中子星會繼續發生引力坍縮,則無可避免的將産生黑洞。

由於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,轉動慣量的減少導致了轉速迅速的增加,産生非常高的自轉速率,週期從毫秒脈衝星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有強大的表面重力,強度是地球的  到  倍。逃逸速度是將物體由重力場移動至無窮遠的距離所需要的速度,是測量重力的一項指標。一顆中子星的逃逸速度大約在10,000至150,000公里/秒之間,也就是可以達到光速的一半。換言之,物體落至中子星表面的最大速度將達到150,000公里/秒。更具體的説明,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於二億噸核爆的威力(四倍于全球最巨大的核彈大沙皇的威力),當然這僅僅是假設,真要是這樣的話,這個人在越來越接近中子星的時候,會被強大的潮汐力扯碎。

2發現

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1932年,中子被查德威克發現之後不久,蘇聯物理學家朗道就提出有一類星體可以全部由中子構成,朗道因此成為首次提出中子星概念的學者。

1934年,巴德和茲威基在《物理評論》上發表文章,認為超新星爆發可以將一個普通的恒星轉變為中子星﹐而且指出這個過程可以加速粒子,産生宇宙線。

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,但他們採用的物態方程是理想的簡並中子氣模型。 中子星是處於演化後期的恒星,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,其品質更大罷了。根據科學家的計算,當老年恒星的品質大於十個太陽的品質時,它就有可能最後變為一顆中子星,而品質小于8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,中子星就作為假説而被提了出來,但是一直沒有得到證實,人們也不曾觀測到中子星的存在。而且因為理論預言的中子星密度大得超出了人們的想像,在當時,人們還普遍對這個假説抱懷疑的態度。直到1967年,由英國科學家休伊什的學生喬絲琳·貝爾首先發現了脈衝星。 經過計算,它的脈衝強度和頻率只有像中子星那樣體積小、密度大、品質大的星體才能達到。這樣,中子星才真正由假説成為事實。這真是本世紀天文學上的一件大事。因此,脈衝星的發現,被稱為二十世紀六十年代的四大天文學重要發現之一。

1967年,天文學家偶然接收到一種奇怪的電波。這種電波每隔1—2秒發射一次,就像人的脈搏跳動一樣。人們曾一度把它當成是宇宙人的呼叫,轟動一時。後來,英國科學家休伊什終於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,即脈衝星。這一新發現使休伊什獲得了1974年的諾貝爾獎。到目前為止,已發現的脈衝星已超過300個,它們都在銀河系內。蟹狀星雲的中心就有一顆脈衝星。

2007年天文學家借助歐洲航空局(ESA)的珈馬射線天文望遠鏡(Integral),發現了迄今旋轉速度最快的中子星。這顆中子星編號為XTE J1739-285,每秒鐘可沿自己的軸線旋轉1122圈。按照地球的概念轉一圈一天的話,在這個中子星上一秒鐘可以經過3年多。這個發現推翻了原來認為的每秒700圈的星體轉速極限。

這顆中子星的直徑約10公里,但品質卻與太陽相近,其密度驚人,高達每立方釐米1億噸。其巨大引力從臨近恒星不斷奪取大量炙熱氣體,並不斷誘發熱核爆炸。

2010年10月27日英國《每日電訊報》報道,天文學家發現了宇宙中迄今為止最大的中子星,其品質幾乎是太陽的兩倍。

這顆名為PSR J1614-223的中子星的大小與一個小城市差不多,相對而言並不算是一個大的星球,但其密度卻是驚人的高,它上面很少量一點物質的品質就高達5億噸!

3前身

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中子星的前身一般是一顆品質為10-29倍太陽品質的恒星。它在爆發坍縮過程中産生的巨大壓力,使它的物質結構發生巨大的變化。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。原子核中的質子和中子便被擠出來,質子和電子擠到一起又結合成中子。最後,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,每立方釐米物質足足有一億噸重甚至達到十億噸。

當恒星收縮為中子星後,自轉就會加快,能達到每秒幾圈到幾十圈。同時,收縮使中子星成為一塊極強的“磁鐵”,這塊“磁鐵”在它的某一部分向外發射出電波。當它快速自轉時,就像燈塔上的探照燈那樣,有規律地不斷向地球掃射電波。當發射電波的那部分對著地球時,我們就收到電波;當這部分隨著星體的轉動而偏轉時,我們就收不到電波。所以,我們收到的電波是間歇的。這種現象又稱為“燈塔效應”。

4演化狀態

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中子星並不是恒星的最終狀態,它還要進一步演化。由於它溫度很高,能量消耗也很快,因此,它通過減慢自轉以消耗角動量維持光度。當它的角動量消耗完以後,中子星將變成不發光的黑矮星。

5面積

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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約170-1700萬倍。

6特徵

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脈衝星

中子星的表面溫度約為一百一十萬度,輻射χ射線、γ射線和可見光。中子星有極強的磁場,它使中子星沿著磁極方向發射束狀無線電波(射電波)。中子星自轉非常快,能達到每秒幾百轉。中子星的磁極與兩極通常不吻合,所以如果中子星的磁極恰好朝向地球,那麼隨著自轉,中子星發出的射電波束就會像一座旋轉的燈塔那樣一次次掃過地球,形成射電脈衝。人們又稱這樣的天體為“脈衝星”。 

史瓦西半徑

超新星爆發後,如果星核的品質超過了太陽品質的兩至三倍,那它將繼續坍縮,最後成為一個體積無限小而密度無窮大的奇點,從人們的視線中消失。圍繞著這個奇點的是一個“無法返回”的區域,這個區域的邊界稱為“視野”或“事件地平”,區域的半徑叫做“史瓦西半徑”。任何進入這個區域的物質,包括光線,都無法擺脫這個奇點的巨大引力而逃逸,它們就像掉進了一個無底深淵,永遠不可能返回。

磁星

“磁星”(Magnetar)是中子星的一種,它們均擁有極強的磁場,透過其産生的衰變,使之能源源不絕地釋出高能量電磁輻射,以X射線及γ射線為主。磁星的理論于1992年由科學家羅伯特·鄧肯(Robert Duncan)及克裏斯托佛·湯普森(Christopher Thompson)首先提出,在其後幾年間,這個假設得到廣泛接納,去解釋軟γ射線復發源(soft gamma repeater)及不規則X射線脈衝星(anomalous X-ray pulsar)等可觀測天體。

當黑洞與中子星相遇

在兩者相距200~300億公里時,中子星表層物質發生不穩定,磁場有明顯的異常波動。當兩者相距達到100億公里時,中子星的外物質便會飛逸而出,並在黑洞周邊高速環繞,之後中子星便向黑洞“奇點”做螺旋形下墜運動。當到50億公里時,黑洞和中子星的磁場劇烈碰撞,並放出大量電子和光,之後中子星的能量便會慢慢消耗,而後被黑洞吞沒,其時間依據中子星的體積而論,但一般不會超過6個小時。

7關係

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中子星與脈衝星的區別

所有的脈衝星都是高速自轉的中子星,也就是説脈衝星是中子星的一種,但中子星不全是脈衝星,我們要收到脈衝信號才算。中子星具有強磁場,運動的帶電粒子發出同步輻射,形成與中子星一起轉動的射電波束。由於中子星的自轉軸和磁軸一般並不重合,每當射電波束掃過地球時,就接收到一個脈衝。這時這顆中子星也叫脈衝星。脈衝星是本世紀60年代四大天文發現之一 (其他三個是:類星體、星際有機分子、宇宙3K微波輻射)。因為它不停地發出無線電脈衝,而且兩個脈衝之間的間隔(脈衝週期)十分穩定,準確度可以與原子鐘媲美。各種脈衝星的週期不同,長的可達4.3秒,短的只有0.3秒,甚至毫秒級。

中子星一邊自轉一邊發射像電子束一樣的電脈衝。該電脈衝像燈塔發出的光一樣,以一定的時間隔掠過地球。當它正好掠過地球時,我們就可以測定它的有關數值。

脈衝星是高速自轉的中子星,但並不是所有的中子星都是脈衝星。因為當中子星的輻射束不掃過地球時,我們就接收不到脈衝信號,此時中子星就不表現為脈衝星了。

中子星和黑洞

中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最強大的兩類頗具神秘感的天體。光是中子星就已經夠不可思議了,偏偏還要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和無底深淵,沒有物質能擺脫它的強大引力,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

當恒星走完其漫長的一生後,小品質和中等品質的恒星將成為一顆白矮星,大品質和超大品質的恒星則會導致一次超新星爆發。超新星爆發後恒星如何演變將取決於剩下星核的品質。印度天體物理學家昌德拉塞卡于上世紀三十年代末發現,當留下的星核品質達到太陽的一點四倍時,其引力將大到足以把星核內的原子壓縮到使電子和質子結合成中子的程度。此時這顆星核就成了一顆中子星,其密度相當於把一個半太陽的品質塞進直徑約二十四公里的一個核內。

這是一個單個的中子星,其表面溫度高達一百二十多萬度,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。三十萬年後將對地球産生輕微影響。(HST)

在星系中漂浮的單個恒星級黑洞,它引起的引力透鏡現象使位於其後方的恒星産生了兩個像。(HST)

位於NGC6251中心發出強烈紫外線輻射的塵埃盤,其內部可能存在一個巨型黑洞。(HST)

橢圓星系NGC7052中心的塵埃盤,其中央可能有一個品質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*據説也是一個黑洞。

8研究價值

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重金屬元素的來源

科學家們認為地球上的黃金、鉑金和其他重金屬元素可能來自於太陽系誕生前幾億年中子星碰撞的大爆炸。

長期以來普遍認為普通的元素如氧和碳,是在將近死亡的恒星爆炸變成新星時生成的,但是研究學者們感到困惑的是,數據顯示這些恒星爆炸不能産生像在地球上這樣大量存在的重金屬元素。來自英國萊瑟斯特大學和瑞士巴塞爾大學的這些科學家們相信,答案存在於稀有的中子星對上。

中子星是生成新型的大恒星的超高密度的內核,它們所包含的物質有我們的太陽那麼多,但只有大約一座城市那麼大。有時會發現兩顆中子星互相繞對方沿軌道旋轉,這是雙星系的遺留物,在我們的銀河系中已知有4對。科學家們使用了在英國倫敦以北100英里的萊瑟斯特天體物理流體設備的超級電腦做模擬,如果使它們慢慢旋轉著靠近發生爆炸,這樣巨大的引力會造成什麼結果。

進行一次這樣的計算要耗費超級電腦幾個星期的時間,而這只是在兩個星球的一生中最後幾個毫秒中發生的事情。結果顯示,當中子星靠近時,巨大的力量將它們劈開,釋放出足夠的能量,可以將整個宇宙照亮幾個毫秒。這個碰撞更可能是産生一個黑洞——空間中吞沒光的裂口——並在發生核反應時噴射出灰,把質子射入輕元素的原子核而生成重元素。噴發出的物質和恒星間的氣體和灰塵相混合、碰撞,構成了新的一代星體,慢慢使重金屬散佈在銀河系中。

在宇宙中出現這種罕見的現象的幾率大約是一百億年以上,這和我們在已有五十億年壽命的太陽系中對元素光譜所做的分析結果相符,為這種理論提供了有力的證據。令人驚奇的是所做的模型産生出的元素的數量和宇宙非常非常接近,它部分回答了我們的世界從何而來這個問題。

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標簽: 科學 天文學 宇宙

中子星 圖冊
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  • 更新時間:2020-12-15
  • 創建者:lilei
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