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來自中子星的「硬菜」,超越鋼鐵100億倍,探尋宇宙之最硬物質

2024-04-26科學

金剛石雖然被譽為地球上最堅硬的物質,但在浩瀚宇宙中,還有比金剛石硬度更高的奇特物質存在,它就是中子星,其硬度甚至比最堅硬的鋼鐵還要硬數十億倍。

中子星的硬度如此之大,已經超出了傳統物理學的量化範圍。我們所知道的是,中子星擁有僅次於黑洞的超高密度,其「硬度」幾乎難以想象。

中子星的形成和結構當恒星走到生命周期的末端,核聚變過程中的碳、氫、氦元素耗盡後,星體的外層物質會在重力作用下塌縮向中心,引發超新星爆炸。

在這場爆炸中,大量恒星物質被拋射出去,只剩下一個密集的鐵核。低質素恒星最終會成為白矮星,而高質素恒星則會塌縮成黑洞,質素在兩者之間的則變為中子星。

中子星的內部構造極為特殊,原子在巨大壓力下被壓縮至極限,電子和質子被壓迫合並成中子,由此中子星得名。

中子星的表層是由氫和氦構成的薄大氣層,下面是由原子核和電子構成的殼層,再往內則是由中子、電子和較重的原子核構成的內殼層。更深處是由富含中子的量子液體構成的外核,而中心的內核組成至今仍是未解之謎。

在殼層和核心之間,存在一種獨特的「核面意結構」,在這裏,極高的壓力將物質壓縮成片狀或面條狀,形似意大利粉。

隨著深入,壓力不斷增大,物質狀態從固態的「面條」逐漸轉變為流態的「面湯」。這些物質是已知宇宙中最堅硬的物質。

中子星的特性中子星的密度極高,其半徑只有幾十公裏,但質素卻達到了太陽的1.35到2.1倍。在這樣的密度下,一顆糖球大小的物質質素可高達1億噸,相當於一座大山。

密集的環境使中子星具有極強的重力場,其內部和周圍的時空都極為扭曲,表面的重力加速度是地球的數百萬倍,逃逸速度接近光速的一半。

也就是說,在中子星表面,若有物體從1米高處落下,其撞擊速度將達到2000公裏/秒。要逃離中子星,其速度必須接近光速的一半。

中子星的表面溫度高達1000萬度,相當於太陽中心的溫度,而其核心溫度則可能高達幾十億度。

中子星質素大、密度高、體積小,使其自轉速度極快,一秒鐘可以旋轉數十圈,這樣的自轉速度產生的強大磁場是地球磁場的數萬億倍。

當這樣一個巨大的「磁鐵」旋轉時,其磁場會產生強大的電場,高速的電子等粒子在電場作用下向外釋放無線電輻射。這種無線電輻射就像燈塔一樣,定期掃描宇宙空間。

地球上可以間歇性地接收到來自中子星的電波,這些中子星的輻射周期各異,短的只有幾毫秒,長的可達近十秒。科學家正是透過這種間歇性的能量釋放,才發現了這些奇異的天體,因此中子星也被稱為脈沖星。

中子星釋放的輻射周期極為精確,其準確度可與原子鐘媲美。因此,科學家設想在未來的星際時代,可以利用中子星進行時間計算和導航。

作為宇宙中的「硬菜」,有人奇思妙想如果嘗試吃一勺中子星會怎樣?這個想法雖然新奇,但實作起來極其困難。

首先,靠近中子星是個大問題。中子星的重力非常強大,即便是最先進的宇宙飛船,一旦進入其重力範圍,也會立刻被吸引墜毀。再者,中子星表面的高溫也是一個不可忽視的問題。

即便溫度和重力都不是問題,想從中子星表面取材也幾乎不可能。中子星的每一個粒子都極度緊密,特別是「核面意結構」,其硬度讓人難以想象,即便是最堅硬的鋼鐵與之相比也仿佛脆弱無比。

看來,嘗試中子星的「意大利粉」基本上是不可能的,除非某個超級文明響應了你的呼喚,用一把能夠無視任何重力和溫度的神奇勺子,從中子星上挖出了一勺,遞到你面前。

然而,還沒等你張口嘗試,那勺中子星的巨大重力就已經將你撕成了碎片。你的每一部份——皮膚、骨頭、器官以及每一個細胞,都將在瞬間被壓碎,撕扯成無數碎片。

隨後,這些碎片和每一個原子、分子,在巨大的重力作用下,將被瞬間拉向那勺中子星,並在其表面均勻分布,最終被完全吞噬。

至今為止,科學家已在宇宙中發現了超過1800個中子星,它們大多位於銀河系中。除中子星外,密度更大的只有黑洞,但黑洞的內部結構對人類而言仍是未知之謎,因此中子星依舊是人類已知的最硬物質。

盡管我們無法嘗試中子星的味道,但地球上的鐵塊可能是中子星物質的最佳代替品。如果你對中子星的「味道」感到好奇,不妨試試舔舔鐵塊。