白矮星●中子星●夸克星●小黑洞

白矮星●中子星●夸克星●小黑洞

（清风科普于2020年7月28日）

（感谢林碧华老师提供日食连拍照片）

（1）太阳（sun）：

太阳，是由原子构成的 恒星。主体是氢原子，中心是氦原子构成的氦核，核心是铁原子构成的铁核。太阳燃烧到灯枯油尽，最终变成铁蛋而不是氦球。太阳表面温度5600K，中心温度1500万K。太阳的平均密度为1.4克/厘米³，是地球平均密度的1/4。

（2）白矮星（White Dwarf）：

白矮星，是太阳晚年形成的星体，是一种低光度、高密度的恒星。其表面温度8000K，比太阳还高，能发出白光；而体积又比太阳小，所以叫白矮星。

白矮星的形成：恒星晚年，氢（H）聚变反应结束以后，将在核心进行氦（He）聚变，即每3个氦核聚变成1个碳核（C），碳核再去捕获1个氦核而形成氧核（O），并膨胀成为一颗 “红巨星”。

如果太阳变成红巨星，其半径会超出火星轨道 ，地球立马蒸发汽化而乌有。红巨星大气层剥离蒸发后，留下骸骨就是白矮星。

白矮星表面密度约为0.1吨/厘米³，内部密度可达10吨/厘米³↑。白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构所能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核，原子结构完整，没有被引力粉碎。

（3）中子星（neutron star）：

中子星，是恒星爆炸后所遗留的骸骨。当恒星质量≥1.44个⊙太阳质量时，寿命缩短而发生超新星爆炸。其外壳蒸发剥离，核心遗骸变成中子星。中子星质量约为0.7～0.75个太阳质量。超新星爆炸气浪产生碳氮氧（CNO），是地球碳基生命的源泉，事件发生在46亿年前。而宇宙起源于138亿年前。银河系里中子星的总数至少应该在20万颗↑。

中子星引力坍缩已经强大到：不仅压垮了原子结构，甚至压垮了原子核结构。并且把带正电的质子和带负电的电子，简并压缩成不带电的中子。中子星，就是大量中子简并扎堆成团的场所。所以中子星的密度相当于原子核的密度。

一颗典型的中子星，质量介于太阳质量的1.35～2.1倍，星体半径小于20公里。质量越大的中子星，半径收缩得越小，但密度大大提升。

小个子的中子星密度约为8000万吨/厘米³，傻大个的中子星密度可达20亿吨/厘米³。傻大个的表面密度约为1亿吨/厘米³，中心密度可高达100亿吨/厘米³。

中子星密度是水的100万亿倍。地球半径是6371公里，如果把地球压缩成中子星，半径只有22米；如果把太阳压缩成中子星，半径只有10公里。

地球两极的磁场强度是0.7Gs（高斯），太阳黑子的磁场强度约1000～4000Gs。而脉冲星两极磁场强度高达1万亿Gs，甚至20万亿Gs。

中子星表面温度约为1000万K，中心温度高达60亿K。由于内部极度高温，有的中子星两极会脉冲式地喷射出粒子流，所以又称为脉冲星。

中子星都会高速自旋。由于中子星保留了母星极大的角动量，但半径只是母星的极小量，因此转动惯量的减少，导致非常高的自转速率。其周期从毫秒脉冲星的1/700秒到30秒都有存在，旋转周期最快的脉冲星可以达到1100转/秒。

一颗中子星的逃逸速度大约在1万～15万公里/秒之间，相当于1/2的光速（称亚光速）。也就是说，一个物体自由落体到中子星表面，其最大速度可达到15万公里/秒。（供参考：地球的逃逸速度∨₁=7.9公里/秒， 即第一宇宙速度。）

如果这个物体换成体重70公斤的人落到中子星表面，其爆炸当量相当于2亿吨核爆威力，即4颗俄国大沙皇氢弹爆炸的威力。不过这个人在越来越接近中子星的时候，就已经被中子星强大的潮汐力，撕碎成粒子流沿着涡漩运动轨迹，最终下落到中子星表面。

（4）夸克星（quark star）：

夸克星，是一种假想的还未被证实的星体。它由强相互作用而形成的。恒星死亡时会在自身重力作用下坍缩，如果质量约为太阳质量的1.44倍，电子和质子会挤压简并形成中子星；如果恒星质量更大，中子可能破碎成夸克，其中半数以上中子分离出来，会转化成 “奇异夸克”，这种由奇异夸克紧密结合在一起所构成的星体，称之为 “夸克星”。

夸克星质量，大于中子星，小于黑洞。夸克星有体积，有质量，有密度。但黑洞只是一个理论上的奇点，体积无限小0，密度无穷大∞。夸克星质量介于黑洞和中子星之间，如果有足够的物质，去填充夸克星，夸克星将进一步收缩坍塌成黑洞。

夸克星表面温度可能达到3560万K，内部温度可能达到美国高速粒子在迥旋器中，所制造出来的 “夸克-胶子汤” 的临界温度，即4万亿度。

原子半径=0.1nm（纳米）=10^-10m

原子核半径=1fm（飞米）=10^-15m

质子半径=中子半径=0.831fm（飞米）

电子半径=10^-18m（米）

夸克半径<10^-18m

普朗克尺度=1.6×10^-35m

夸克星质量大于中子星，小于黑洞；

夸克星密度高于中子星，低于黑洞；

夸克星体积小于中子星，大于黑洞。夸克星在理论模型上，至少有三种：奇异夸克星、孤子星和玻色星。

①奇异夸克星：就是科普文章通称的“夸克星”，其成分以 “奇异夸克” 为主体，主要建立在威滕假说上。专业学者会以 “奇异星”或 “奇特星” 来精准描述夸克星。

②孤子星，以诺贝尔奖得主李政道所推出的 “非拓朴性孤子” 为理论基础，主要以 “纯粹费米子具有孤子波性质” 来组成的夸克星，被认为是“暗物质”的最佳种子选手。天文界搭成共识：宇宙中暗物质占26.8%，暗能量占68.3%。孤子星很可能在暗物质中扮演重要角色。

③玻色星，主要以“纯粹玻色子”来组成的夸克星（即复合玻色子星体）。玻色星被认为不能由星爆产生，只能由 “宇宙大爆炸” 产生。后者高爆遗留下来的暗物质，扎堆形成 “巨质量玻色星”。它高度集中分布于星系或星团的引力中心。由于上帝粒子（希格斯玻色子）的加入，巨质量玻色星应该是宇宙中最常见的 “暗物质” 的存在模式。

银河系的星系核（银核），最大可能性是由玻色星组成，并非由 “超大级别巨型黑洞” 所组成。天文观测发现银河中心根本就找不到 “超大质量的巨型黑洞” 的存在。也就是说，人们始终没见过银核象 “超大黑洞” 那样，大口大口地去吞噬银河中心高致密的恒星和星云，因此有理由怀疑银河系是发育很不成熟的巨婴棒旋星系。

玻色星是宇宙大爆炸产物，无法在星系形成过程中被任意制造出来。孤子星和玻色星都是暗物质最优秀的种子选手，用它们来解释 “银核巨引力” 现象，要比直接用 “银核含巨型黑洞” 来解释 “银河系数千亿颗恒星做涡漩运动”，更加合情合理。

④黑星（重力真空星），黑星不等于黑洞。

但作为黑洞最佳替代方案，应该是黑星（Black star）。黑星又称 “重力真空星”，内部由重子组成，外壳真空极化。重子的成分是由夸克构成的。重力真空星虽然没有黑洞的奇点，却有一个类似于黑洞 “事件视界”，被称为 “拟事界”。星体活动近似于黑洞，却没有达到黑洞的级别。

（5）小黑洞（black hole）：

超新星爆发后，如果星核的质量超过了太阳质量的2～3倍，那么它将继续坍缩，最后形成一个体积无限小而密度无穷大的奇点，并从人们的视野中完全消失。

围绕着这个奇点，存在着一个 “所有物质（包括光）都无法返回” 的区域，这个区域的边界地平线被称为“事件视界”，事件视界的半径又称 “史瓦西半径Rs”。任何物质一旦落入 “事件视界” 内，再也无法摆脱奇点的巨大引力而逃逸出来。它们就像掉进了一个无底的万丈深渊，永远也不可能返回，所以叫做 “黑洞”。

如果把太阳压缩成黑洞，这黑洞的史瓦西半径只有3公里。如果把地球压缩成黑洞，这黑洞的史瓦西半径只有8.84毫米，相当于玻璃珠大小。怎样计算出来的？

①已知条件：

引力常数G=6.67×10^-11N·m²/kg²

地球质量m=5.965×10^24kg（公斤）

光速c=30万公里/秒=3×10^8米/秒

地球半径r=6371公里②清风计算：把地球压缩成小黑洞，其史瓦西半径

Rs=2GM/c^2

=2×（6.67×10^-11）×（5.965×10^24）

÷（3×10^8）^2

=8.8414555556x10^-3（米）

≈8.84毫米如果把地球压缩成小黑洞，那么这黑洞的密度是多少吨/厘米³？

③巳知条件：

地球平均密度ρ=5.52克/厘米³

地球质量M=5.965×10^24公斤④把地球压缩成小黑洞的史瓦西半径

Rs=2GM/c²=8.84毫米（计算过程省略）⑤把地球压缩成小黑洞后的体积

V=4πR³/3

=4×3.14159×8.84³÷3

=2893.6435697毫米³

≈2.894厘米³⑥把地球压缩成小黑洞后的平均密度

ρ=M/V

=5.965×10^24公斤÷2.894厘米³

=2.0611610228×10^24公斤/厘米³

≈2×10^21吨/厘米³

=2万亿亿吨/厘米³答：如果把地球压缩成小黑洞，那么这个小黑洞密度ρ是：每立方厘米所含物质质量至少是2万亿亿吨。推理大质量黑洞：密度无穷大，ρ→∞吨/厘米³；体积无穷小，V→0厘米³。

黑洞的吸积盘十分明亮耀眼，其温度可达10亿K；黑洞奇点温度肯定高于中子星和夸克星的核心温度。而且黑洞质量越大，奇点温度也越高，最高极限是普朗克温度，即：1.416833×10^32K，这温度也是宇宙诞生时初始爆炸的临界温度！