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第16章 中子星

中子星是一种比白矮星密度更大的恒星,主要是由中子以及少量的质子、电子所组成的超密恒星。1932年发现中子后不久,朗道就提出可能存在由中子组成的致密星。1934年巴德和兹威基也分别提出了中子星的概念,而且指出中子星可能产生于超新星爆发。

中子星,主要是由中子以及少量的质子、电子所组成的超密恒星。1932年发现中子后不久,朗道就提出可能存在由中子组成的致密星。1934年巴德和兹威基也分别提出了中子星的概念,而且指出中子星可能产生于超新星爆发。1967年英国射电天文学家休伊什和贝尔等发现了脉冲星。不久,就确认脉冲星是快速自转的、有强磁场的中子星。它的外层为固体外壳,厚约1千米,密度为1011~1014克/厘米3,主要是由各种原子核组成的点阵结构和自由电子气。外壳内是一层主要由中子组成的流体,其密度大约为1014~1015克/厘米3,在这一层中还有少量的质子、电子和μ介子。对于中子星中心部分的密度高达1016克/厘米3的物态,目前还存在着三种不同的观点:(1)认为是超子(一种质量大于核子质量的粒子)流体;(2)是固态的中子核心;(3)是中子流体中的π介子凝聚。

中子星的结构

中子星不仅密度高达1亿吨每立方厘米以上,而且它的磁场强度也高达1亿特斯拉以上。中子星的体积很小,它的半径的典型值约为10千米。中子星的质量下限约为0.1太阳质量,上限为1.5~2个太阳质量。

中子星是由恒星演化而来的。关于中子星的形成,许多人认为:某些处于演化晚期的恒星,在其内部发生极其激烈的核爆炸,随后又急剧收缩,恒星的内部产生极大的压力,把原子外层电子挤压到原子核内,核内的质子与电子结合,形成异常紧密的中子结构物质,这时这颗恒星就演变成为中子星。

中子星爆发之前的表面

中子星半径的典型值约为10千米。密度最低的固态表面是高密度的铁。中子星另一个重要特征是存在强度极高的磁场,超过1012高斯,它使表层的铁聚合成长长的铁原子链:每个原子都被压缩并沿磁场被拉长,而且首尾相接,形成从表面向外伸出的“须状物”。在表面以下,由于压力太高,单个原子不能存在。1967年发现了脉冲星,首次证明了中子星的存在。现已发现300多颗脉冲星,普遍认为它们就是旋转的中子星。蟹状星云脉冲星和船帆座脉冲星的脉冲周期极短,说明它们不可能是白矮星。据认为,脉冲星是由于它们的旋转和强磁场而产生的一种电动力学现象,就像发电机的情况一样。另有证据表明,某些双星X射线源也包含着中子星,它们似乎是由于压缩从伴星吸积到它们表面上的物质而发出X射线的。中子星据信是超新星爆发形成的,在该过程中,随着核心密度增至1015/厘米3,中子压力便会顶住中心核的坍缩。若坍缩中心核的质量超过太阳质量的2倍,则不能形成中子星而可能变成黑洞。

银河系中著名的气体星云——蟹状星云的中心星就是一颗中子星(脉冲星)。中子星是目前已知的恒星中最小的。由于中子星的体积很小,所以不能用热辐射接受器观测到。但接收到它们的射电脉冲,在研究脉冲星和双星X射线源时发现了它们。

蟹状星云的中心星就是一颗中子星

中子星是一种比白矮星密度更大的恒星,中子星的密度为1011千克/厘米3,也就是每立方厘米的质量为一亿吨之巨!半径10公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。

中子星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的。当老年恒星的质量大于10个太阳的质量时,它就有可能最后变为一个中子星,而质量小于10个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。

在中子星里,压力是如此之大,电子被压缩到原子核中,同质子中和为电子,使原子变得仅由中子组成。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说,中子星就是一个巨大的原子核,中子星的密度就是原子核的密度。

在形成的过程方面,当恒星外壳向外膨胀时,它的核受反作用力而收缩,核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列的物理变化,最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命。这就是天文学中著名的“超新星爆发”。

有时候,遥望星空,你可能会惊奇地发现:在某一星区,出现了一颗从来没有见过的明亮星星!然而仅仅过了几个月甚至几天,它又渐渐消失了。

这种“奇特”的星星叫做新星或者超新星。在古代又被称为“客星”,意思是这是一颗“暂时做客”的恒星。

新星和超新星是变星中的一个类别。人们看见它们突然出现,曾经一度以为它们是刚刚诞生的恒星,所以取名叫“新星”。其实,它们不但不是新生的星体,相反,正是走向衰亡的老年恒星。其实,它们就是正在爆发的红巨星。我们曾经不止一次提到,当一颗恒星步入老年,它的中心会向内收缩,而外壳却朝外膨胀,形成一颗红巨星。红巨星是很不稳定的,总有一天它会猛烈地爆发,抛掉身上的外壳,露出藏在中心的白矮星或中子星来。

在大爆炸中,恒星将抛射掉自己大部分的质量,同时释放出巨大的能量。这样,在短短几天内,它的光度有可能将增加几十万倍,这样的星叫“新星”。如果恒星的爆发再猛烈些,它的光度增加甚至能超过1000万倍,这样的恒星叫做“超新星”。

超新星爆发的激烈程度是让人难以置信的。据说它在几天内倾泄的能量,就像一颗青年恒星在几亿年里所辐射的那样多,以致它看上去就像一整个星系那样明亮!

新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。它是老年恒星辉煌的葬礼,同时又是新生恒星的推动者。超新星的爆发可能会引发附近星云中无数颗恒星的诞生。另一方面,新星和超新星爆发的灰烬,也是形成别的天体的重要材料。比如说,今天我们地球上的许多物质元素就来自那些早已消失的恒星。

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组成中子星是什么物质?

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中子星,主要是由中子以及少量的质子、电子所组成的超密恒星。1932年发现中子后不久,朗道就提出可能存在由中子组成的致密星。

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关于中子星的形成,许多人认为:某些处于演化晚期的恒星,在其内部发生极其激烈的核爆炸,随后又急剧收缩,恒星的内部产生极大的压力,把原子外层电子挤压到原子核内,核内的质子与电子结合,形成异常紧密的中子结构物质,这时这颗恒星就演变成为中子星。

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中子星的质量很大,他能够把原子的核外电子压入原子核从而和里面的带正电荷的质子中和了,所以组成中子星的物质是纯粹的中子。

新的研究表明,可用空前的精度预测中子星的星震时间,这种星震会撕裂恒星的外壳。这一发现证明了如下理论:当恒星的坚硬外壳旋转得比其流动内核慢时,便会发生星震。

当大质量恒星走到生命的尽头时便产生了中子星,在中子星中,燃烧剩余的物质高度密集,电子和质子全都聚合为中子。这类恒星的直径仅为30千米,且在流动的内核外包有一层坚硬的外壳。

这两层物质独立旋转,研究人员认为这导致了星震,即“脉冲”现象。由于中子星的磁场密封在外壳内,磁场发射的磁偶极子放慢了外壳的旋转速度,这便产生了冲突。

在发生脉冲时,中子星的坚硬外壳裂开,流体流入裂口中,使得外壳旋转得更快。

由美国拉莫斯国家研究所JohnMiddleditch领导的研究人员研究了这种旋转加速情况,预测某一特定中子星上何时会发生星震。

这颗恒星称为PSRJ0537-6910,它距离地球17万光年,年龄仅为4000岁。其外壳通常的旋转速度为每秒62次,使它成为已知的旋转最快的年轻脉冲星。

当它发生星震时,每隔7小时就会加速旋转一周。研究小组发现它旋转的速度越快,它距发生下次星震的时间越长。

另一种类型的中子星称为磁星,会产生更大威力的星震,在撕开的裂口中会涌出大量粒子和放射物。