中子星,这宇宙里的超级紧凑天体,你猜猜它的密度有多大?就算咱们往小了算,一立方米里头也有足足100万亿吨重呢!这数字,简直让人瞠目结舌。可话说回来,中子星咋就这么密实呢?咱们不妨换个角度,瞅瞅原子里头有多「空荡」。
就拿氢原子来说吧,它是宇宙里头最简单的原子,里面只有一个电子。它的原子核说白了就是一个质子。一个处在最稳定状态的氢原子,它的半径差不多是0.528乘以10的负10次方米。而质子的半径呢,大概是0.84乘以10的负15次方米。至于电子的半径,咱们现在还没个准数,但可以肯定的是,电子的半径大小肯定小于10的负18次方米这个级别。
简单来说,氢原子的整个大小差不多是它原子核的62857倍大。想象一下,要是把氢原子的原子核变得跟一个足球一样大,那整个氢原子放大后,它的半径就得有大约7公里那么长。至于电子嘛,它就像是一粒半径只有0.1毫米的微小尘埃。
没错,原子里头其实空荡荡的。咱们地球上的东西,原子之间并不是挤得满满当当的。就拿固体来说吧,里面的原子平均距离大概在十亿分之一到百亿分之一米之间。要是液体和气体,那原子之间的距离比固体还要大。想象一下,要是我们把地球上所有物质的原子间距,还有原子里面的空隙都挤掉,那地球的半径就只剩大约11米了。这时候的地球密度,跟中子星有得一拼。
说白了,中子星密度那么大,就是因为它里面的物质被压得特别紧。那你可能会问,为啥宇宙里会有这么紧实的星球呢?原因就在于引力坍缩。
引力嘛,它能拉得很远,而且只有「拉」的劲儿,没有「推」的劲儿,所以引力能一直加在一起,变得更强。说到宇宙里的那些星球,它们靠引力把周围的东西都往自己那儿拽,结果这引力还搞得它们自己开始往里缩,就像被自己的引力拽进去了一样。
一个星球要想稳稳当当地存在着,它里面得有些能防止被自身引力压垮的本事。说起来,有个很关键的数字,就是「太阳质量的8%」。要是星球比这轻,那它里面的物质靠电磁力就能互相拉着,不让引力把它压垮。可要是星球比这重或者一样重,那电磁力就不够使了,挡不住引力了。
说白了,宇宙里头的星星,质量都至少得有太阳质量的8%。它们靠着中心那块地方的核聚变,才能撑着不往里塌。但话说回来,星星里的「核燃料」也不是无穷无尽的,等烧完了,星星就挡不住要继续往里缩了。
对于那些不太重的恒星,它们的中心会靠电子间的「简并力」来对抗引力的拉扯,最后慢慢变成一颗白矮星。
说起来「简并压力」,其实就是这么个事儿:就像有些小小的粒子,它们可不愿意让别的跟自己一样的粒子挤进来占地方,所以就会互相推搡,产生一股排斥的力量。
可要是恒星的质量特别大,电子间的「简并压力」就挡不住引力让它塌缩了。这时候,恒星中心会继续往里缩,压力巨大到让电子都挤进原子核,跟质子合成了中子。这些新产生的中子加上原子核里原来的中子,都会挤得紧紧的,形成「中子简并压」。
一般来说,恒星到了这个阶段,就会来个超级厉害的超新星大爆炸。爆炸过后,要是剩下的核心能靠「中子简并压」顶住引力,不让它继续往里缩,那它就会变成一个超级紧实的星球。这种星球上,所有的小粒子都挤得满满的,密度特别大,一立方米里能有100万亿吨那么重。因为这种星球里大多数都是中子,所以我们就叫它中子星。
有人可能会好奇,要是恒星超新星爆发后,剩下的核心重得连「中子简并压力」都挡不住引力,让它继续往里塌,那接下来会发生啥呢?
其实有这样的情况,按照现代物理学的说法,中子是由夸克拼起来的,夸克之间也有种「挤压力」。所以,咱们可以这么想,要是「中子挤压力」挡不住引力让东西往里塌,那中子就会被「挤破」,然后就得靠「夸克挤压力」来继续顶着,不让引力继续塌下去。
要是「夸克简并压」能顶住引力让恒星不塌,那恒星剩下的核心就会变成一种比中子星还紧实的星球,咱们可以叫它夸克星。
要是挡不住的话,现代物理学里就没招儿能拦住引力崩塌了。这样一来,恒星剩下的那点核心,就会因为引力崩塌停不下来,变得特别小、密度特别大,成了一个「奇点」。这「奇点」能把边上的时空弯得没法再弯,形成一个全封闭的时空,最后就变成了宇宙里最吓人的东西——黑洞。
说起来挺有意思的,虽然科学家们现在还没法确定宇宙里到底有没有夸克星,但咱们一般都还是这么想,中子星算是宇宙里除了黑洞以外,最紧密的天体了。
行啦,今天咱就先聊到这儿,非常感谢大家的和支持,期待下次还能跟大家见面,再见啦!
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