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中子星密度可达每立方厘米一亿吨,到底是由什么元素组成的?

2024-02-07科学

浩瀚宇宙有无数个天体,在众多天体当中,中子星是仅次于黑洞的诡异天体。由于黑洞内部完全无法用现有大自然法则诠释,因此中子星也堪称现有物理学体系下最诡异的天体。

有一种中子星被称为脉冲星,那是一种不断发射电磁波脉冲信号的中子星,旋转速度非常快,科学家可以通过探测分析高能脉冲信号来确定中子星的某些特性。

中子星的密度非常高,每立方厘米可达一亿吨,仅次于黑洞无限高的密度。中子星的密度如此高,是不是意味着那里还有我们不知道的元素呢?

要想知道问题的答案,首先需要了解中子星的诞生过程。

中子星,顾名思义,就是由中子组成的一种天体。中子我们都知道,是组成原子核的微观粒子,通常与质子通过强相互作用结合在一起,形成致密的原子核。

由于中子很小,科学家们直到1932年才发现了它的存在。发现了中子之后,科学家们就已经大胆做出了这样的预测:宇宙中很可能存在一种完全由中子组成的天体,也就是中子星。

两年之后,有天文学家认为中子星很可能是通过大质量恒星演化而来的,在恒星死亡过程会猛烈爆发,所谓的超新星爆发,爆发之后留下的致密内核,就是中子星。

而直到1967年,天文学家们才第一次观测到脉冲星,从此,中子星的概念也从假象走向了现实。到了2007年,天文学家们终于发现了一颗中子星,直径大约10公里,密度惊人,达到每立方厘米一亿吨,旋转速度极快,每秒可以旋转超过一千圈,比地球自转速度快了上亿倍!

由于中子星密度极大,在强大引力作用下,周围的恒星不断被中子星吞噬,在这个过程中迸发出超强能量。

我们都知道,通常情况下,恒星内部大部分都是由氢元素组成,氢聚变成更重的氦元素,同时释放出巨大能量,当氢元素消耗殆尽之后,氦元素会继续聚变成更重的元素,一直到铁元素,核聚变就戛然而止了。

也就是说,在恒星内部,最核心区域是更重的元素,越往外就越轻,看起来就像洋葱那样,从里到外元素越来越轻。

为什么聚变到铁元素就停止了呢?简单讲,因为铁元素最稳定,它的比结合能最高,比铁更轻的元素聚变时都会释放能量,而比铁更重的元素聚变时反而需要吸收能量。

而恒星之所以能保持数十亿年的稳定,就是因为两种力量的平衡,分别是自身的引力,还有就是核聚变产生的强大外推力。

而随着核燃料的逐渐减少,两种力量的平衡就会被打破,直到核聚变停止,自身的引力会占据绝对的上风,这时候恒星物质在引力作用下开始疯狂地向内坍缩,不断挤压内部物质。

从微观领域来看,电子会被不断挤压。不过根据泡利不相容原理,电子之间会产生强大的电子简并压,对抗引力。不过只要恒星质量足够大,电子简并压也不足以对抗引力,结果就是电子被挤压到原子核,与质子结合形成中子,这就是中子星的由来。

从中子星的诞生过程,可以看出中子星是高度致密的天体,电子被完全压缩到原子核上,结果只有无数个中子紧密地挨在一起,更为强大的中子简并压来对抗中子星自身强大的引力。而如果中子简并压也不能对抗引力,结果就是中子也会再次坍缩,形成更诡异的黑洞。

中子星不但密度很大,温度也很高,比白矮星高出很多,表面温度高达千万度以上,核心温度更是可以达到6亿度,内部压强同样很恐怖,可以高达10000亿亿亿个大气压,甚至比太阳核心的压强还要高3亿亿倍。

看到这里,我们不禁要问,如此恐怖的中子星,到底是由什么元素组成的呢?

人类目前已经发现了94种天然元素,就算加上人工合成的元素,也不过一百多种,那么中子星内部到底是什么元素呢?

刚才我们讲了,恒星核聚变过程,其实就是更轻的元素不断聚变成更重元素的过程,最核心区域是更重的元素,越是往外元素就越轻。只要质量足够大,就一直能聚变到铁元素,铁元素外层是钙,然后是硫,硅,镁,氖,氧,碳,最外层是氦和氢元素。

在宇宙大爆炸之初,宇宙中只有氢和氦两种元素,其中大部分都是氢,更重的元素都是原始恒星通过核聚变产生的。

但是即便是目前已经发现的最重的元素,也不可能是组成中子星的元素。或许,我们对元素需要有一个全新的定义,因为很可能存在未知的元素。比如说中子星,就像是一个超级大的「原子核」,因为中子星完全是由中子组成的,无数个中子密密麻麻地排列在一起。

那么,真的会有未知元素存在吗?

理论上确实有可能存在,因为不管什么样的元素,都可能在巨大能量和压力下诞生,而浩瀚宇宙中最不缺的就是猛烈的能量爆发,比如说强大的超新星爆发,爆发之后留下的致密内核就是中子星,甚至黑洞。

但不管是什么元素,都不可能是人类目前发现的元素,因为刚才讲了,中子星的形成其实是中子简并压对抗引力而形成的,说白了中子星就是中子简并态物质,与我们平时所讲的物质有本质区别。

组成中子星的无数个中子,非常紧密地挨在一起,彼此之间的缝隙非常小,甚至完全没有任何缝隙,这也是中子星密度为什么如此之大的原因所在。

看到这里,我们只能感叹宇宙的浩瀚和奇妙,太阳的宏大已经足够让人类震撼了,但中子星这种诡异的天体更是超乎人们的想象。

而比中子星更诡异的天体黑洞,在人类看来更是遥不可及。理论上讲,把组成中子星的无数个中子继续压缩,直到压缩成没有体积的无穷小的一个点,就是黑洞,而无穷小的点就是奇点。

无穷,对于人类来讲太不可思议,也太「无理」了。因为无穷是一个抽象概念,而人们只能描述具体事物。而且在人们固有印象里,无穷的概念只存在抽象的数学领域,甚至即便在数学领域,无穷也曾给人类造成很大困扰。

现实中的物体都是具体的,任何物理量都是可描述的,都有一定的大小,比如说质量,体积,密度,温度等,唯独黑洞是个例外。这也是为什么科学家坚信,黑洞一定隐藏着更深刻更高级的大自然法则!

完!