中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

》在恒星演化末期,经历超新星爆炸以后,如果残存星核的质量大于钱德拉赛卡极限,即1.44倍的太阳质量,恒星会变成中子星。

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

​在强大的引力作用下,围绕原子核外的电子会被剥离。因为电子是带负电的,质子是带正电的。曾经人们以为电子会掉到质子上,电子与质子合并形成中子,整个星球就会变成一个纯粹由中子构成的球体。

这就是中子星名称的来历,也是天体物理学对于恒星演化最后阶段的预言,这个结论在上世纪30年代和40年代已经存在。

下面这张图是最早期的中子星模型。​

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

》上世纪60年代末70年代初,发现神秘脉冲信号。

当时,科学家用射电望远镜,在天空中发现了非常有规律的脉冲电波。开始的时候都以为,这种有规律的信号是含有某种明确信息的,因而认为这是外星文明发出来的信号。后来进一步的研究表明是一种高速旋转的天体~脉冲星,发出来的。脉冲星就是中子星。​

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

》对脉冲星发射出来无线电波的研究,揭开了中子星内部构造的奥秘。

如果中子星完全是由中子构成的,高速旋转的时候也不会向外发出强烈的脉冲无线电波。

中子星之所以能够发射出电波脉冲,就是因为它是有分层次和结构。​

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

​在强大的引力作用下,原子核外层的电子会被剥离,剩下的原子紧密的排列在一起,组成中子星的固体外壳。这个外壳的主要成分是铁原子和自由电子。

铁原子组成的外壳下面,是电子、中子、质子以及原子核构成的“液态浆体海洋”。

在中子星的中心,是物质状态与上述两层完全不同的固体核心。它的成分,推测可能是紧密排列的中子,或者是夸克状态。

中子星的铁质外壳可能会分成两层,在铁质外壳的上面,可能由氢和氦组成的薄大气层。但是目前这一层还未被直接观测到。

》中子星高速旋转时产生的磁场,就与它的分层结构有关,这一点与地球产生的磁场类似。

地球磁场的产生,就是由于地球具有一个固体的铁镍质内核和一个液体的铁镍质外核。

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

​中子星的磁场来源于电荷高速旋转。而且在各层之间有一个角速度差,因而导致中子星的磁轴和自转轴,有一个角度差。

这个情况也与地球的类似,地球的南北极和南北磁极并不完全重合。

由于恒星自转的角动量,全部传递给了中子星。中子星的半径小,转动惯量小,根据动量守恒,旋转速度非常高。已知其最快的转速,可以达到每秒钟1000转以上,星体赤道的线速度可以达到光速的几分之一。

高速旋转的电荷,使得中子星带有强大的磁场,旋转速度越高,磁场强度越大。其磁场强度可以高达10的7次方到10的15次方特斯拉。即便是一特斯拉,也是强大的磁场。一特斯拉是大多数医用核磁共振仪的磁场,它对一公斤的铁,可施加超过300公斤的力。

由于电磁相互作用,中子星会产生强大的辐射。从磁极的磁通量漏斗处发射出来的电磁波,形成一个辐射锥。

由于星体磁极和地理南北极不重合,随着星体转动,这个辐射锥会周期性的扫过周边的天空。

当这个辐射锥恰好对准地球的时候,地球上的射电望远镜就会接受到辐射信号,这就是在射电望远镜上所接受到的脉冲星的信号。​

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

​并非所有的中子星都是脉冲星,只有那些自转强烈的中子星才能成为脉冲信号源。脉冲星在辐射电磁波的同时,也会消耗自身的能量,降低转动速度。只要足够长的时间,这种脉冲会逐步的减弱和停止。

》我们把白矮星和中子星做一个比较。

实际上白矮星也有强大的磁场,它的磁场强度仅次于中子星,可以达到10的5次方到10的7次方特斯拉。因为白矮星内部都是固体,组成比较均匀,没有中子星那样分层次的结构,因而不会产生强烈电磁震荡,所以不会成为脉冲辐射源。

目前已经发现的脉冲星,绝大多数都集中在银河系内。

发现一颗脉冲星必须有以下条件:

第一,必须是高速旋转的中子星;第二,脉冲星的辐射锥必须对准地球。

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

》中子星的内核承受着更强大的压力,只有那里可能是纯粹由中子构成的,或者是有夸克构成的。

以前人们认为的整个中子星,都是由中子构成,实际上很可能只是内核是由中子构成。

关于中子星内核的组成现在没有定论,因为一直都没有办法直接观测。

但是,现在科学家们有了一个全新的手段,用引力波探测器监测中子星双星系统的合并,借此来分析中子星的内部组成成分。​

中子星并非完全由中子构成,至少有3层结构,可能有稀薄大气

》人类目前观测到的中子星,双星系统只占10%。而双星系统的合并,要经过漫长的时间等待,一直要等到相互围绕着高速旋转的双星系统,用引力波辐射的方式,消耗掉绝大部分旋转动能,彼此接近到足够的距离,才能产生一次惊天大碰撞。

2017年8月17日,美国的激光引力波探测仪,探测到了一次双中子星合并事件。

在中子星合并的过程中,会产生2万亿度以上的高温,发射出强烈的伽马射线爆。同时还会产生出一种代表着财富,对人类的金融系统有格外重要意义的元素~黄金。

原子序数超过铁以上的重金属元素,其合成反应,需要消耗能量。所以它们的主要来源都是双中子星合并。​

双中子星合并不仅给人类带来知识,也给人类带来财富。唯一的遗憾是,引力波是以光速前进的,永远会比黄金先到达地球。

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页面更新:2024-05-06

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