书城自然科学发现之旅:太空百态
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第23章 中子星

游侠引言

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。

正文

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10的11次方千克/立方厘米,也就是每立方厘米的质量为一亿吨之巨!半径十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十个太阳的质量时,它就有可能最后变为一个中子星,而质量小于十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"前来做客"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,而是正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哪样多,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。

〔问题在线〕

中子星由什么组成?

〔专家释疑〕

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。

〔探索指南〕

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"。