1立方厘米可重达10亿吨！中子星的密度，为何会如此之高？

发布日期：2024-08-22 13:04    点击次数：81

中子星是宇宙中的一种密度极高的星球，已知的观测数据表明，它们的半径通常只有10至20公里，但质量却有太阳质量的1.35至2.1倍，其平均密度可以达到每立方厘米10^15克，也就是说，1立方厘米的中子星物质就可重达10亿吨之多。

那么，中子星的密度，为何会如此之高呢？下面我们就来聊一下这个话题。

相信大家都听说过这样一种说法，即：原子内部有99.9999%都是空的。其实这种说法并不夸张，为方便理解，我们不妨用一种最简单的原子——氢原子，来举例说明。

我们知道，氢原子只有一个电子，它的原子核其实就是一个质子，已知的测量数据表明，一个处于基态的氢原子，其半径大约为0.528 x 10^-10米，而质子的半径约为0.84 x 10^-15米，电子的半径则不会大于10 x 10^-18米。

根据这些数据我们就可以计算出，假如我们把这个氢原子的半径放大到1000米，那么按同等比例放大的话，其原子核的半径也只有大约16毫米，而电子则更小，其半径不会大于0.019毫米。

由此可见，原子的内部确实是极为“空旷”，据此我们也不难想象出，如果将原子中的这些“空旷”的区域全部压缩掉，那物质的密度就将会高得离谱。实际上，这样的密度，其实就可以认为是中子星的密度，因为中子星基本上都是由中子构成，我们可以简单地将其理解为，构成中子星的中子都是紧紧地挨在一起，彼此之间不留一点缝隙。

那么，密度如此之高的星球，到底是怎么形成的呢？答案就是引力坍缩。

尽管在宇宙的四大基本力中，引力的强度是最弱的，但由于引力是长程力，并且引力只有吸引作用而没有排斥作用，因此引力就可以无限叠加，随着质量的不断增大，引力作用也会越来越强，也正因为如此，引力才成为了在宏观宇宙中起主导作用的基本力。

引力除了可以让物质凝聚成各式各样的星球之外，还会让星球在整体上具备向内坍缩的趋势，所以宇宙中每一颗稳定存在的星球，都其内部有一种力量在与自身的引力抗衡，如果星球的质量比较小，物质间的电磁力就可以抗衡引力，但对于像恒星这样的星球来讲，物质间电磁力就不够用了。

在恒星的核心区域，较轻的元素会一直不停地通过核聚变反应生成较重的元素，进而释放出能量，这些能量在使恒星发光发热的同时，也可以产生向外的“辐射压”，而恒星内部抗衡自身引力的力量也正是来自于此。

然而恒星的“核燃料”终究是有限的，在“核燃料”耗尽之后，恒星内部也就失去了“辐射压”，在此之后，根据恒星残留核心的质量的不同，恒星就有不同的“结局”。

在量子力学中，构成物质的微观粒子被称为“费米子”，根据“泡利不相容原理”，这种粒子有一个特点就是，它们会强烈地排斥其它同类型的“费米子”与自己占据相同的量子态。

由于电子就是一种“费米子”，因此当物质密度达到一定程度的时候，电子之间就会产生一种抵抗压缩的压力，这也被称为“电子简并压”。

如果恒星核心的质量相对较小，那其核心物质就可以凭借“电子简并压”来与引力抗衡，其“结局”就是演化成一颗白矮星，如果恒星核心的质量更大，超过了“钱德拉塞卡极限”（约太阳质量的1.44倍），那“电子简并压”就不足以与引力抗衡了。

在这种情况下，恒星就会发生灾难性的引力坍缩，并因此发生威力巨大的“超新星爆发”，与此同时，其核心物质的电子，则会被“压”进原子核，然后与原子核中的质子结合成中子，于是这些中子与原子核中原本就已经存在的中子就紧紧地挨在了一起。

而中子也是一种“费米子”，所以它们会形成比“电子简并压”更强大的“中子简并压”。

从理论上来讲，只要恒星核心的质量没有超过“奥本海默极限”（通常取值为太阳质量的3倍），那“中子简并压”就足以抗衡其自身的引力，进而演化成稳定存在的星球，而这样的星球，其实就是中子星，而如果超过了，那其最终的“结局”就是演化成已知宇宙中密度最高的天体——黑洞。

发布于：四川省