當前位置: 華文世界 > 科學

中子星密度可達每立方厘米一億噸,到底是由什麽元素組成的?

2024-02-07科學

浩瀚宇宙有無數個天體,在眾多天體當中,中子星是僅次於黑洞的詭異天體。由於黑洞內部完全無法用現有大自然法則詮釋,因此中子星也堪稱現有物理學體系下最詭異的天體。

有一種中子星被稱為脈沖星,那是一種不斷發射電磁波脈沖訊號的中子星,旋轉速度非常快,科學家可以透過探測分析高能脈沖訊號來確定中子星的某些特性。

中子星的密度非常高,每立方厘米可達一億噸,僅次於黑洞無限高的密度。中子星的密度如此高,是不是意味著那裏還有我們不知道的元素呢?

要想知道問題的答案,首先需要了解中子星的誕生過程。

中子星,顧名思義,就是由中子組成的一種天體。中子我們都知道,是組成原子核的微觀粒子,通常與質子透過強交互作用結合在一起,形成致密的原子核。

由於中子很小,科學家們直到1932年才發現了它的存在。發現了中子之後,科學家們就已經大膽做出了這樣的預測:宇宙中很可能存在一種完全由中子組成的天體,也就是中子星。

兩年之後,有天文學家認為中子星很可能是透過大品質恒星演化而來的,在恒星死亡過程會猛烈爆發,所謂的超新星爆發,爆發之後留下的致密內核,就是中子星。

而直到1967年,天文學家們才第一次觀測到脈沖星,從此,中子星的概念也從假象走向了現實。到了2007年,天文學家們終於發現了一顆中子星,直徑大約10公裏,密度驚人,達到每立方厘米一億噸,旋轉速度極快,每秒可以旋轉超過一千圈,比地球自轉速度快了上億倍!

由於中子星密度極大,在強大重力作用下,周圍的恒星不斷被中子星吞噬,在這個過程中迸發出超強能量。

我們都知道,通常情況下,恒星內部大部份都是由氫元素組成,氫融合成更重的氦元素,同時釋放出巨大能量,當氫元素消耗殆盡之後,氦元素會繼續融合成更重的元素,一直到鐵元素,核融合就戛然而止了。

也就是說,在恒星內部,最核心區域是更重的元素,越往外就越輕,看起來就像洋蔥那樣,從裏到外元素越來越輕。

為什麽融合到鐵元素就停止了呢?簡單講,因為鐵元素最穩定,它的比結合能最高,比鐵更輕的元素融合時都會釋放能量,而比鐵更重的元素融合時反而需要吸收能量。

而恒星之所以能保持數十億年的穩定,就是因為兩種力量的平衡,分別是自身的重力,還有就是核融合產生的強大外推力。

而隨著核燃料的逐漸減少,兩種力量的平衡就會被打破,直到核融合停止,自身的重力會占據絕對的上風,這時候恒星物質在重力作用下開始瘋狂地向內塌縮,不斷擠壓內部物質。

從微觀領域來看,電子會被不斷擠壓。不過根據包立不相容原理,電子之間會產生強大的電子簡並壓,對抗重力。不過只要恒星品質足夠大,電子簡並壓也不足以對抗重力,結果就是電子被擠壓到原子核,與質子結合形成中子,這就是中子星的由來。

從中子星的誕生過程,可以看出中子星是高度致密的天體,電子被完全壓縮到原子核上,結果只有無數個中子緊密地挨在一起,更為強大的中子簡並壓來對抗中子星自身強大的重力。而如果中子簡並壓也不能對抗重力,結果就是中子也會再次塌縮,形成更詭異的黑洞。

中子星不但密度很大,溫度也很高,比白矮星高出很多,表面溫度高達千萬度以上,核心溫度更是可以達到6億度,內部壓力同樣很恐怖,可以高達10000億億億個大氣壓,甚至比太陽核心的壓力還要高3億億倍。

看到這裏,我們不禁要問,如此恐怖的中子星,到底是由什麽元素組成的呢?

人類目前已經發現了94種天然元素,就算加上人工合成的元素,也不過一百多種,那麽中子星內部到底是什麽元素呢?

剛才我們講了,恒星核融合過程,其實就是更輕的元素不斷融合成更重元素的過程,最核心區域是更重的元素,越是往外元素就越輕。只要品質足夠大,就一直能融合到鐵元素,鐵元素外層是鈣,然後是硫,矽,鎂,氖,氧,碳,最外層是氦和氫元素。

在宇宙大霹靂之初,宇宙中只有氫和氦兩種元素,其中大部份都是氫,更重的元素都是原始恒星透過核融合產生的。

但是即便是目前已經發現的最重的元素,也不可能是組成中子星的元素。或許,我們對元素需要有一個全新的定義,因為很可能存在未知的元素。比如說中子星,就像是一個超級大的「原子核」,因為中子星完全是由中子組成的,無數個中子密密麻麻地排列在一起。

那麽,真的會有未知元素存在嗎?

理論上確實有可能存在,因為不管什麽樣的元素,都可能在巨大能量和壓力下誕生,而浩瀚宇宙中最不缺的就是猛烈的能量爆發,比如說強大的超新星爆發,爆發之後留下的致密內核就是中子星,甚至黑洞。

但不管是什麽元素,都不可能是人類目前發現的元素,因為剛才講了,中子星的形成其實是中子簡並壓對抗重力而形成的,說白了中子星就是中子簡並態物質,與我們平時所講的物質有本質區別。

組成中子星的無數個中子,非常緊密地挨在一起,彼此之間的縫隙非常小,甚至完全沒有任何縫隙,這也是中子星密度為什麽如此之大的原因所在。

看到這裏,我們只能感嘆宇宙的浩瀚和奇妙,太陽的宏大已經足夠讓人類震撼了,但中子星這種詭異的天體更是超乎人們的想象。

而比中子星更詭異的天體黑洞,在人類看來更是遙不可及。理論上講,把組成中子星的無數個中子繼續壓縮,直到壓縮成沒有體積的無窮小的一個點,就是黑洞,而無窮小的點就是奇異點。

無窮,對於人類來講太不可思議,也太「無理」了。因為無窮是一個抽象概念,而人們只能描述具體事物。而且在人們固有印象裏,無窮的概念只存在抽象的數學領域,甚至即便在數學領域,無窮也曾給人類造成很大困擾。

現實中的物體都是具體的,任何物理量都是可描述的,都有一定的大小,比如說品質,體積,密度,溫度等,唯獨黑洞是個例外。這也是為什麽科學家堅信,黑洞一定隱藏著更深刻更高級的大自然法則!

完!