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回顾:宇宙「最硬」物质比钢硬100亿倍!此「硬菜」来自哪里?中子星

2024-09-30科学

宇宙中有一道「菜」,甭管再好的牙口也别想咬动,这道菜叫做「核意面」。

核意面有多硬?它可是 钢的100亿倍硬 ,做这道菜的「厨子」来自于中子星。

宇宙中也有「意大利面」

那么,中子星是怎么来的,它为何会如此坚硬呢?

想要了解这道硬菜,我们还要从一场爆炸讲起。

宇宙中存在最硬的物质

中子星的来历

恒星是宇宙中常见的天体,那么中子星是什么天体呢?

中子星的诞生,还要从 大质量恒星的死亡开始说起

恒星不会永远发光,它们也是有寿命极限的,就像 人类的寿命因个体而异 ,恒星的寿命也会因为其质量不同出现差别。

比如我们的 太阳属于G型恒星 ,俗称 黄矮星 ,寿命在100亿年左右。

太阳的寿命在大约100亿年

但是质量比太阳小一半左右的 M型或者K型恒星 ,俗称红矮星,寿命却可以达到 200到500亿年不等

恒星的状态可以分为 出生、成长、稳定、衰老、死亡 ,稳定时期时间最长,因此又被称作主序星,我们的太阳就是在稳定的主序星时期。

当恒星的寿命来到衰老时期, 恒星会膨胀,变成红巨星 ,质量更大的被称为 红超巨星

膨胀进行到极限后,恒星就会迎来最终的死亡。每一个恒星都有自己的死亡方式,因质量而异。

太阳的一生

质量小于8个太阳的恒星,结束自己的方式比较温和,是 以坍塌的形式表现出来 ,曾经炙热的火球,最后只剩下冰冷的内核,成为一颗泛着冷白光的墓碑—— 白矮星

质量比8个太阳大的恒星,了解自我的方式非常壮烈,它们会 以一场爆炸结束自己 ,这场爆炸叫做 超新星爆炸

超新星爆炸,让恒星的外部物质再次回归星云,为下一颗新的恒星诞生做准备。

大质量恒星的内核 ,要么成为 黑洞 ,要么成为 中子星

中子星

一般来说,质量越大成为黑洞的概率也就更大,所以中子星和黑洞最大的区别在于, 谁的前身质量更大

这也让中子星成为了 密度仅次于黑洞的存在

光在从中子星旁边穿过的时候会出现弯曲,原因就在于 中子星的引力会改变光直线传播的路径

中子星的质量没有黑洞大,引力还没有大到可以将光吞噬的程度。

它的密度在宇宙中能排在第二位,每立方厘米的质量为 1000亿到100万亿克 ,并且越往内核走硬度越大。

中子星的内核全部由中子组成,密度为 1000万亿克/立方厘米 。为什么中子星的密度会这么大呢?

中子星的密度仅次于黑洞

中子星的硬度

中子星的体积非常小,它的 直径在10到20公里 ,这简直就是一颗 浓缩的「小钢炮」

想象一下,中子星和地球相撞,地球的密度远小于中子星,如何承受得住?

这就不得不提到中子星的主要组成部分,一种神秘的粒子—— 中子

中子是构成元素多样性的关键,这么说吧, 如果没有中子,人类可以利用的原子会少一半

中子星是一颗「小钢炮」

中子是原子的重要部分之一,它具有质量,但是却不带电, 和质子一起呆在原子核内

正是因为不带电,所以质子不会排斥它,甚至会 允许多个中子和自己一起呆在原子核内

因此, 同一种元素可以有不同的中子模式 ,这便是 同位素 。同位素的出现丰富了我们对于元素的认识,也拓展了原子技术。

比如我们使用的核裂变原理,使用的就是重原子的同位素,比如 铀-234、铀-235和铀-238

同位素的内部(白色为中子)

人们使用粒子相互碰撞的时候,会释放出中子,这是辐射的主要来源。

因此, 中子星是一个充满辐射的天体

天文学家们认为,中子星分为两部分,外壳和内核,尤其是它的内核,是整颗天体密度最大的地方,这里的中子甚至形成了「流体」。

这也让中子星的内核诞生了一道「菜」——核意面。

核意面不是真的意大利面,而是 天文学家为了更好地解释中子星的内部结构描绘的一种假设

现实中的意大利面

科学家们认为,中子星内核的中子,像意面团一样组合在一起。

这样的结构赋予了中子星极大的韧性,让它能够抵挡宇宙中的一切撞击。

可以毫不夸张地说,除了黑洞能够将中子星毁灭掉,一般的天文现象,如伽马射线、高能粒子束等,都无法奈何中子星。

如果还是很难想象中子星究竟有多硬,那么可以用它和地球上的一种硬物钢作比较, 中子星的硬度是钢的100亿倍

中子星的结构

怪不得说中子星内部的核意面是宇宙中的一道「硬菜」。

而这道硬菜,还会为自己 发射脉冲 宣传 中子是辐射产生的原因 ,作为中子构成的中子星,自然就是一个 巨大的辐射源

中子产生的辐射,以脉冲的形式向宇宙中散播, 这类会发射脉冲的中子星被称为脉冲星

可是,有的中子星却无法产生脉冲,这是因为不同的中子星产生的辐射能量不一样,电磁波的频率有差别, 并不是每一条电磁波都能产生脉冲

因此,被人类发现的中子星大部分都是脉冲星。

脉冲星发射脉冲

发现中子星

理论上来说,中子星产生的电磁波中有可见光,所以 中子星是可以被天文望远镜看到的

可实际上,发现中子星最多的,却是 射电望远镜

也就是说, 人们不是看到了中子星,而是听到了中子星

因为中子星发射的电磁波中 可见光只有很少的一部分 ,而宇宙中的恒星们发射的电磁波,可见光占据了大部分。

恒星的光芒会掩盖中子星,导致 天文望远镜看到的中子星并不多

哈勃空间望远镜

但是,脉冲星发射的脉冲对于射电望远镜来说就非常容易被发现,通过接受宇宙中的脉冲信号,就能发现脉冲星,脉冲星就是中子星的一种。

全世界发现脉冲星效率最高的,是 中国的FAST天眼望远镜 ,也是全世界口径最大的射电望远镜。

从投入使用到2022年。FAST天眼发现的脉冲星个数已经达到了 660颗以上 ,对于研究中子星有着非常重大的意义。

不过很遗憾的是,人类目前对于中子星的了解 还没有完全深入其内核 ,对于核意面的真实结构尚不清楚,核意面目前仅限于假想模型。

如果真的能够有幸发现这道「硬菜」的真身,将会 推动整个宇宙「菜单」的更新

发现脉冲星最多的FAST天眼

研究中子星的意义

科学家们还希望通过研究在中子星内找到四中子结构,这是法国里昂的科学家 米格尔·马克 在一次实验中偶然见到的一种结构,被称为 「零号元素」

人类历史上也只见过这一次,此后科学家们尝试了很多办法, 都没能得到四中子这样的结构

一部分科学家认为,不依靠质子就想形成原子简直是无稽之谈, 四中子或许永远不可能存在

但是米格尔·马克却坚信 四中子结构一定存在,只是它会颠覆人们对于原子的认知

四中子示意图

说不定它就在中子星里面, 核意面也许就是一种四中子

人类若是想要知道核意面的真实身份,只能真的「品尝」一番。

但是, 接近中子星是一个非常危险的事情 。它虽然不像黑洞那样吞噬一切,可是它巨大的引力也足以将靠近的物质撕碎。

这样巨大的引力如果能过够加以应用,那将会是一个 非常完美的引力弹弓

当年的旅行者1号和旅行者2号就是利用木星和土星的引力将自己的速度加到了第三宇宙速度。

利用木星做引力弹弓

如果人类利用中子星作为引力弹弓,说不定就会把速度提高到第四宇宙速度,这样,就能在未来某一天离开银河系。