當前位置: 華文世界 > 科學

回顧:宇宙「最硬」物質比鋼硬100億倍!此「硬菜」來自哪裏?中子星

2024-09-30科學

宇宙中有一道「菜」,甭管再好的牙口也別想咬動,這道菜叫做「核意面」。

核意面有多硬?它可是 鋼的100億倍硬 ,做這道菜的「廚子」來自於中子星。

宇宙中也有「意大利粉」

那麽,中子星是怎麽來的,它為何會如此堅硬呢?

想要了解這道硬菜,我們還要從一場爆炸講起。

宇宙中存在最硬的物質

中子星的來歷

恒星是宇宙中常見的天體,那麽中子星是什麽天體呢?

中子星的誕生,還要從 大質素恒星的死亡開始說起

恒星不會永遠發光,它們也是有壽命極限的,就像 人類的壽命因個體而異 ,恒星的壽命也會因為其質素不同出現差別。

比如我們的 太陽屬於G型恒星 ,俗稱 黃矮星 ,壽命在100億年左右。

太陽的壽命在大約100億年

但是質素比太陽小一半左右的 M型或者K型恒星 ,俗稱紅矮星,壽命卻可以達到 200到500億年不等

恒星的狀態可以分為 出生、成長、穩定、衰老、死亡 ,穩定時期時間最長,因此又被稱作主序星,我們的太陽就是在穩定的主序星時期。

當恒星的壽命來到衰老時期, 恒星會膨脹,變成紅巨星 ,質素更大的被稱為 紅超巨星

膨脹進行到極限後,恒星就會迎來最終的死亡。每一個恒星都有自己的死亡方式,因質素而異。

太陽的一生

質素小於8個太陽的恒星,結束自己的方式比較溫和,是 以坍塌的形式表現出來 ,曾經炙熱的火球,最後只剩下冰冷的內核,成為一顆泛著冷白光的墓碑—— 白矮星

質素比8個太陽大的恒星,了解自我的方式非常壯烈,它們會 以一場爆炸結束自己 ,這場爆炸叫做 超新星爆炸

超新星爆炸,讓恒星的外部物質再次回歸星雲,為下一顆新的恒星誕生做準備。

大質素恒星的內核 ,要麽成為 黑洞 ,要麽成為 中子星

中子星

一般來說,質素越大成為黑洞的概率也就更大,所以中子星和黑洞最大的區別在於, 誰的前身質素更大

這也讓中子星成為了 密度僅次於黑洞的存在

光在從中子星旁邊穿過的時候會出現彎曲,原因就在於 中子星的重力會改變光直線傳播的路徑

中子星的質素沒有黑洞大,重力還沒有大到可以將光吞噬的程度。

它的密度在宇宙中能排在第二位,每立方厘米的質素為 1000億到100萬億克 ,並且越往內核走硬度越大。

中子星的內核全部由中子組成,密度為 1000萬億克/立方厘米 。為什麽中子星的密度會這麽大呢?

中子星的密度僅次於黑洞

中子星的硬度

中子星的體積非常小,它的 直徑在10到20公裏 ,這簡直就是一顆 濃縮的「小鋼炮」

想象一下,中子星和地球相撞,地球的密度遠小於中子星,如何承受得住?

這就不得不提到中子星的主要組成部份,一種神秘的粒子—— 中子

中子是構成元素多樣性的關鍵,這麽說吧, 如果沒有中子,人類可以利用的原子會少一半

中子星是一顆「小鋼炮」

中子是原子的重要部份之一,它具有質素,但是卻不帶電, 和質子一起呆在原子核內

正是因為不帶電,所以質子不會排斥它,甚至會 允許多個中子和自己一起呆在原子核內

因此, 同一種元素可以有不同的中子模式 ,這便是 同位素 。同位素的出現豐富了我們對於元素的認識,也拓展了原子技術。

比如我們使用的核分裂原理,使用的就是重原子的同位素,比如 鈾-234、鈾-235和鈾-238

同位素的內部(白色為中子)

人們使用粒子相互碰撞的時候,會釋放出中子,這是輻射的主要來源。

因此, 中子星是一個充滿輻射的天體

天文學家們認為,中子星分為兩部份,外殼和內核,尤其是它的內核,是整顆天體密度最大的地方,這裏的中子甚至形成了「流體」。

這也讓中子星的內核誕生了一道「菜」——核意面。

核意面不是真的意大利粉,而是 天文學家為了更好地解釋中子星的內部結構描繪的一種假設

現實中的意大利粉

科學家們認為,中子星內核的中子,像意面團一樣組合在一起。

這樣的結構賦予了中子星極大的韌性,讓它能夠抵擋宇宙中的一切撞擊。

可以毫不誇張地說,除了黑洞能夠將中子星淪陷掉,一般的天文現象,如Gamma射線、高能粒子束等,都無法奈何中子星。

如果還是很難想象中子星究竟有多硬,那麽可以用它和地球上的一種硬物鋼作比較, 中子星的硬度是鋼的100億倍

中子星的結構

怪不得說中子星內部的核意面是宇宙中的一道「硬菜」。

而這道硬菜,還會為自己 發射脈沖 宣傳 中子是輻射產生的原因 ,作為中子構成的中子星,自然就是一個 巨大的輻射源

中子產生的輻射,以脈沖的形式向宇宙中散播, 這類會發射脈沖的中子星被稱為脈沖星

可是,有的中子星卻無法產生脈沖,這是因為不同的中子星產生的輻射能量不一樣,電磁波的頻率有差別, 並不是每一條電磁波都能產生脈沖

因此,被人類發現的中子星大部份都是脈沖星。

脈沖星發射脈沖

發現中子星

理論上來說,中子星產生的電磁波中有可見光,所以 中子星是可以被天文望遠鏡看到的

可實際上,發現中子星最多的,卻是 射電望遠鏡

也就是說, 人們不是看到了中子星,而是聽到了中子星

因為中子星發射的電磁波中 可見光只有很少的一部份 ,而宇宙中的恒星們發射的電磁波,可見光占據了大部份。

恒星的光芒會掩蓋中子星,導致 天文望遠鏡看到的中子星並不多

哈伯空間望遠鏡

但是,脈沖星發射的脈沖對於射電望遠鏡來說就非常容易被發現,透過接受宇宙中的脈沖訊號,就能發現脈沖星,脈沖星就是中子星的一種。

全世界發現脈沖星效率最高的,是 中國的FAST天眼望遠鏡 ,也是全世界口徑最大的射電望遠鏡。

從投入使用到2022年。FAST天眼發現的脈沖星個數已經達到了 660顆以上 ,對於研究中子星有著非常重大的意義。

不過很遺憾的是,人類目前對於中子星的了解 還沒有完全深入其內核 ,對於核意面的真實結構尚不清楚,核意面目前僅限於假想模型。

如果真的能夠有幸發現這道「硬菜」的真身,將會 推動整個宇宙「選單」的更新

發現脈沖星最多的FAST天眼

研究中子星的意義

科學家們還希望透過研究在中子星內找到四中子結構,這是法國裏昂的科學家 米格爾·馬克 在一次實驗中偶然見到的一種結構,被稱為 「零號元素」

人類歷史上也只見過這一次,此後科學家們嘗試了很多辦法, 都沒能得到四中子這樣的結構

一部份科學家認為,不依靠質子就想形成原子簡直是無稽之談, 四中子或許永遠不可能存在

但是米格爾·馬克卻堅信 四中子結構一定存在,只是它會顛覆人們對於原子的認知

四中子示意圖

說不定它就在中子星裏面, 核意面也許就是一種四中子

人類若是想要知道核意面的真實身份,只能真的「品嘗」一番。

但是, 接近中子星是一個非常危險的事情 。它雖然不像黑洞那樣吞噬一切,可是它巨大的重力也足以將靠近的物質撕碎。

這樣巨大的重力如果能過夠加以套用,那將會是一個 非常完美的重力彈弓

當年的旅行者1號和旅行者2號就是利用木星和土星的重力將自己的速度加到了第三宇宙速度。

利用木星做重力彈弓

如果人類利用中子星作為重力彈弓,說不定就會把速度提高到第四宇宙速度,這樣,就能在未來某一天離開銀河系。