中子星是大质量恒星演化末期的产物,但并不是最末期,即使到了中子星这个阶段,它还会慢慢向下演化成为一颗黑矮星,彻底死亡。
质量大约为太阳的10-29倍的恒星会在老年时期发生超新星爆发,将大部分的物质以光速的十分之一抛射出去,而在内部形成一个致密、极度致密的内核,这个就是中子星。
恒星一般演化到末期会有三个产物,一个是不发生超新星爆发的低质量恒星,如太阳在红巨星阶段慢慢消散后的产物,就是白矮星。
而像中子星、黑洞是大质量恒星发生超新星爆发后的产物,所以中子星介于白矮星与黑洞之间。
中子星半径一般为10-30公里,密度高得惊人,一般来说,1立方厘米的中子星物质重达数亿吨,对!就是那么夸张。如果地球也想变为中子星的话,那么地球的半径就必须缩小成为22米以内。
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顾名思义,中子星是一种几乎完全由中子组成的天体。那么,中子又是什么呢?中子是原子核的组成部分(除氕之外),原子核的另一组成部分是质子。中子和质子通过核力紧密相结合成原子核,其中质子带正电荷,中子不带电。在原子核之外,还有绕核运动的电子(带负电荷)。中子星的前身是大质量恒星,那么,这些恒星是如何演变成中子星呢?
在恒星一生的大部分时间里,其核心区域都在进行把氢原子核聚变成氦原子核的核聚变反应,在此期间被称为主序星阶段。当恒星耗尽核心的氢燃料时,它将离开主序星阶段,开始合成更重的元素,恒星将会膨胀成红巨星。如果原先恒星的质量比太阳大8至20倍,恒星将会在核心中不断合成更重的元素,直至聚变出铁元素,核聚变反应将会停止。在巨大的自身重力作用下,恒星的核心会发生坍缩,外层爆发成超新星。如果残留下的核心质量介于1.4至3个太阳质量之间,那么,原子核周围的电子会被强大的重力挤入原子核中,与质子相撞并产生中子。结果整个星体几乎只剩中子,这样的天体就被称为中子星。
中子星的密度极高,与原子核的密度相当,约为3×10^17千克/立方米,比水的密度大了300万亿倍。据此来算,一立方厘米的中子星就有3亿吨重,相当于把一亿头大象压缩成一颗方糖。如果把质量为太阳两倍的天体压缩成中子星,其半径大约仅为10千米。
此外,一些中子星的自转速度很快,并且还会向外释放出电磁辐射,这种中子星被称为脉冲星。由于脉冲星的自转轴和磁极并不重叠,所以向外释放出的电磁辐射会随着自转一同旋转,于是在地球上就可能会接收到十分有规律的脉冲。
中子星,是恒星演化到末期,经由引力坍缩发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽,当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落,有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸,或者根据恒星质量的不同,恒星的内部区域被压缩成白矮星、中子星或黑洞。白矮星被压缩成中子星的过程中恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子,直径大约只有十馀公里,但上面一立方厘米的物质便可重达十亿吨,且旋转速度极快。由于其磁轴和自转轴并不重合,磁场旋转时所产生的无线电波等各种辐射可能会以一明一灭的方式传到地球,有如人眨眼,此时称作脉冲星。
一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35到2.1倍,半径则在10至20公里之间(质量越大半径收缩得越小),也就是太阳半径的30,000至70,000分之一。因此,中子星的密度在每立方公分8×1013克至2×1015克间,此密度大约是原子核的密度。
由于中子星保留母恒星大部分的角动量,但半径只是母恒星极微小的量,转动惯量的减少导致转速迅速的增加,产生非常高的自转速率,周期从毫秒脉冲星的700分之一秒到30秒都有。中子星的高密度也使它有强大的表面重力,强度是地球的2×1011到3×1012倍。逃逸速度是将物体由重力场移动至无穷远的距离所需要的速度,是测量重力的一项指标。一颗中子星的逃逸速度大约在10,000至150,000公里/秒之间,也就是可以达到光速的一半。换言之,物体落至中子星表面的速度也将达到150,000公里/秒。更具体的说明,如果一个普通体重(70公斤)的人遇到中子星,他撞击到中子星表面的能量将相当于二亿吨TNT当量的威力(四倍于全球最巨大的核弹大沙皇的威力)。
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