中子星密度大质量大,一立方厘米重量上亿吨,是什么概念?

中子星的确密度很大,中子星可以说是宇宙中可怕程度仅次于黑洞的天体,其表面的引力场异常强大,和黑洞有得一拼,换句话来说,中子星就是一颗失败的黑洞。

中子星和黑洞同样是恒星生命末期可能到达的终点之一,中子星是恒星演化到生命末期经由重力崩溃发生超新星爆炸之后,可能形成的少数终点之一,质量没有达到可以形成黑洞的恒星在其生命末期会形成一种密度介于黑洞和白矮星之间的天体,这个天体就是中子星。

中子星表面的物质密度很大,简单来说,典型的中子星密度在上亿吨每立方厘米,也就是相当于水密度的100万亿倍!白矮星几十吨每立方厘米的密度跟中子星比起来,似乎有点微不足道了。事实上,如果把地球的密度压缩成和中子星一样的话,那么地球的直径将只会有22米,而像太阳这么大的天体,压缩之后的半径也不过只有10公里。

根据科学家的估计,质量在太阳8倍到20倍的老年恒星,生命末期它会形成一颗中子星,而质量不足8倍太阳质量的恒星,则会变成一颗白矮星。白矮星和中子星的物质存在状态是完全不同的,简单来说,白矮星的物质还是以原子的状态存在,只不过原子之间的距离已经被压缩得不能再小了,不过中子星就可以说完全是一颗巨大的中子组成的星球了,因为在中子星中,电子被压缩到了原子核之内,和质子结合形成了中子,整个中子星就是一个电中性的星体。

中子星的密度这么大,引力场也是足够强大的,逃逸速度为100000公里每秒到150000公里每秒左右,也就是相当于光速的三分之一到二分之一,这也就意味着,当一个物体的速度不能达到光速的三分之一的时候,它就不能脱离中子星的引力束缚,当然了,如果有一个物体掉到了中子星上面,那根本没时间想怎么逃的问题,因为中子星强大的引力场可以直接将它撕碎。

这个问题,量子菌来问答。中子星就是由中子组成的天体,它的半径不大,在10千米左右,但质量却达到了太阳的1.4到3倍。简单计算,中子星的密度就是像题目里谈到的,可以达到10来亿吨/立方厘米。

中子星的形成

中子星之所以这么大的密度,因为它本来就是大质量的恒星演化而来的,我们太阳系的太阳是没有资格成为中子星的。对于大质量的恒星,当最后核燃料消耗完毕,而残留的质量还大于太阳质量的1.4倍时,也就是所谓的钱德拉塞卡极限质量。

中子星的密度

此时,该天体的引力已经大到电子的简并压力都无法对抗,本来处于原子核外的电子也被压入核内,电子质子就形成中子,原子以及原子核都坍塌了,这个星球上只剩下中子,所以称为中子星。中子星半径10千米左右,质量在太阳质量的1.4到3倍,密度大约为8000万到20亿吨每立方厘米。

中子星的研究意义

当然中子星,还不是宇宙中最致密的天体,黑洞才是,黑洞体积更是小到一个奇点。对于中子星来讲,最常见的就是旋转的脉冲星,沿着磁轴会发出辐射,就像灯塔扫描照明一样,有着稳定的脉冲周期,可以作为宇宙中的灯塔来标定星际旅行的位置,确定时间。

谈到中子星的研究,就不得不提我国的天眼

这个位于贵州山区的当世最大口径的射电望远镜,就是设计用来发现中子星。500米的口径的大锅,不是用来煮鲲用的,更不是寻找什么外星人来用的。贵州天眼投入使用以来,已经发现了几十颗中子星,成果斐然。

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中子星是恒星演化到生命末期形成一种特殊天体,密度比白矮星大比夸克星和黑洞小,除此之外某些中子星还会发出规律的电磁脉冲而成为脉冲星,一般而言中子星上的物质密度在每立方厘米8000万到20亿吨。

根据广义相对论中的时空扭曲产生引力原则,中子星的引力是非常非常大的,其逃逸速度可以达到光速的百分之五十,也就是说如果人类在中子星表面发生火箭,那么火箭需要达到每秒十五万公里才能飞离中子星,而火箭飞离地球只需要11.2km/s

中子星的高密度其实很好理解:中子星在变成中子星之前是一颗比太阳质量还大的恒星,而当恒星内部氢元素消耗殆尽后,原来的引力与内部的热力平衡就被打破了,恒星有可能发生超新星爆发,而恒星的核心区域则会被引力无情的挤压,结果就是原子与原子被挤在一起压碎变成了中子和中子挤在一起,密度在这个过程中急剧上升。

不过每立方厘米几十亿吨的中子星物质一旦离开中子星这个强引力环境后就会瞬间“反弹”成普通物质,随着而来的还有猛烈的爆炸,因此如果有一克中子星物质来到了地球,那么爆炸威力将不亚于一颗核弹。

科学家认为在中子星之上还应该存在一种体积更小密度更大夸克星,也就是夸克和夸克挤在一起形成的天体,不过目前我们还没有找到夸克星存在的证据。

浩瀚的宇宙中,密度最大的是黑洞,其次是中子星。中子星的密度约为8×101?kg~2×1012/cm3,也就是每cm3的重量约有上万~上亿吨,这就是一个指甲盖大小的体积。而地球的重量也就60万亿亿吨。

中子星又称脉冲星,因为它的磁场轴线和自转轴线不重合,在旋转时会产生的电磁辐射会忽明忽暗,辐射大多数会传到地球,被射电望远镜接收到。它的自转速度非常快,几秒就转一圈。

中子星是白矮星进一步坍缩而来,它的构成全部都是中子,但体积却很小,直径只有十几千米上下(6500万年前撞上地球的那颗小行星也有约10千米)。而就是这样一个小小星球,它的质量却有1.4~2.5倍太阳之重。

根据广义相对论,质量越大,引起的时空曲率越大。这样大质量的中子星也会在周围产生时空涟漪的引力波。2017年10月,美国的引力波探测器LIGO首次接收到中子星合并的引力波,验证了相对论的正确性。中国的射电望远镜天眼FAST也找到了44颗中子星。

由于中子星具有强大又稳定的射电辐射信号,科学家们将它预设为未来星际旅行时的导航灯。

如果中子星的质量>3倍太阳质量时(奥本海默·沃尔柯夫极限),它就会继续塌缩,当达到史瓦西半径时,它就是个黑洞了。

中子星,到底是一种怎样的存在?

你可以把它简单看成一个巨大的原子核,半径仅仅十几千米,密度可达每立方厘米10亿吨

中心星是目前为止,已发现的物质形态密度最大的天体。

由内核大于1.44倍太阳质量的恒星坍缩而成,是恒星走到生命尽头后的一种极端结果。

恒星有很多种结局,成为中子星是最绚丽而实在的一种。

都知道恒星的稳定,主要依靠两种力的相互平衡: 自身重力和核聚变的辐射压力,一个向内,一个向外。

恒星生命周期99%的时间,都在将氢聚变为氦。随着氢聚变完成,只要恒星质量足够大,就能在重力作用下,继续引发核内聚变:氦聚变成碳、碳聚变成氖、氖变成氧、氧变成硅……最终聚变为铁。同时,核心也变得越来越重。

由于铁聚变不再能释放能量,内核的辐射压力迅速下降,恒星的平衡系统被打破。

如果,此时核心质量超过大约1.44倍太阳质量,就会发生一场灾难性的坍缩。 核心外围以每秒70000千米的速度向中心坍缩,原子内部的基础作用力开始抵抗引力导致的坍缩。

首先抵抗的就是电子的量子力学排斥力,就是常说的电子兼并压力,这个力是基于泡利不相容原理而产生的。

1925年,泡利根据对原子数据的分析提出了一条原理:原子中任意两个电子不可能完全处于同一量子态。1940年,泡利将这条原理扩展到了所有费米子。费米子指的是自旋为半整数的粒子。

当引力突破了电子大军的抵抗,电子将被压进原子核里与质子融合为中子。然后,中子大军继续抵抗引力的坍缩。这就是中子简并压力。只要恒星内核的质量没有超过3.2倍太阳质量(超过了,就成黑洞了),中子们就能够抗住引力的坍缩。

而恒星的外层物质,会在一场剧烈的超新星爆发中,被抛撒进太空。一颗中子星就这样形成了。

中心星的各项指标。

质量介于太阳质量1.44倍到3.2倍的中子星,直径却被压缩到了约25千米,大约与一个曼哈顿相当。

中子星的密度非常大,一立方厘米的质量与边长700米的铁立方质量相同,相当于把10亿吨重的珠穆朗玛峰,压缩进一小块方糖大小的空间之内。

如果要在中子星上着陆,是一件可怕的事。

比如,将一个物体从距离地面1米的地方放下,它会在1微秒内落地,并被加速到200万米/秒。

中子星的地面绝对平滑, 最大的起伏不会超过5毫米。而它的大气层主要由氢氦构成,并被压缩成超薄的热等离子体,表面温度约1000万℃,是太阳表面温度(6000℃)的1666倍。

中子星,并不全是由中子构成的。

中子星的外壳极其坚硬,很可能由排列成晶格结构的铁原子核和充斥其间的电子构成。

离核越近 中子会越来越多而质子会变得越来越少,而核心是极其稠密的中子汤,当然具体成分现在仍然是个迷。

但最可靠的猜测是超流体中子简并态物质,或者是一些被称为夸克—胶子等离子体的超密夸克物质。

中心星的这些物理性质,从传统角度来看,是难以想象的,只可能存在于外宇宙空间的极端环境当中。

在许多方面,中子星都非常像一个巨大的原子核。

最大的不同,可能是原子核是质子通过强相互作用力聚集起来的,而中子星完全是由于重力的作用。

为什么我们把一些中子星称为脉冲星?

因为,中子星的自转速度非常快,可达每秒旋转数周。

如果附近还有一颗可怜的恒星给中子星提供吸取的能量,中子星的自转速度还可提速到每秒数百周。

比如,编号为PSRJ1748-2446ad的天体,它的自转速度约为2.52亿千米/时。

如此快的自转速度的中子星如果又存在磁场,这就是我们常说的脉冲星。它们会发出强烈的有周期性的无线电信号,称为脉冲。

中子星的磁场异常强大,大约比地球磁场强8万亿倍。强大的磁场足以弯曲进入其影响范围的任何原子。

这种有周期性的脉冲会在宇宙中形成一种灯塔效应。就像我们乘坐轮船在海里航行看到的灯塔一样。

正因为脉冲星具有在我们地球上自然界里面所无法实现的极端物理性质,所以说它是一个非常理想的天体物理实验室。

寻找脉冲星也就成了天体物理学的一项重要工作。

总结

中子星是宇宙中一种极端天体,但也是最酷的天体之一。

宇宙浩瀚无垠,光是恒星的数量就超过了2000万亿亿,有着各种各样的天体,其中最为厉害的数黑洞莫属了,密度无限大,引力非常强。

而中子星就是除了黑洞之外密度最强大的天体,介于黑洞和白矮星之间,中子星物质被认为是可见物质中密度最大,硬度最高的物质,单位体积的物质质量大到出奇,达到了每一立方厘米重量上亿吨,这可是一个很了不起的数字。

中子星的发现过程

1932年,随着“中子”被科学家们首次发现之后,就有天文学家提出了一个大胆的猜测,在宇宙中有没有可能存在着一种全部由“中子”组成的星体呢?

这也是第一次提出“中子星”这个概念,只存在于设想中。在此之后,有很多天文学家都在寻找研究中子星。

直到1934年,一位天文学家提出中子星是由恒星演变而成的,他认为在超新星爆炸之后,一些恒星会变为中子星并会产生宇宙射线。

以太阳为研究参照,在1939年的时候,可形成中子星的恒星质量被确定了出来——当一颗恒星质量为10倍太阳质量进入生命末期的恒星,就会变成一颗中子星,这表明,中子星是由大质量的恒星演化而来的。

在1967年,伴随着脉冲星的发现,中子星也逐渐变为了现实。

在2007年的时候,天文学家们发现了一颗直径大约为10公里,密度每立方厘米可达1亿吨,并且运转速度是地球自转速度1亿倍的中子星,这颗中子星每秒钟可以旋转1122圈。

而在2010年,已知的最大中子星被发现,质量大约为太阳的2倍。

研究发现,目前已知宇宙的所有天体中,中子星的密度仅次于黑洞。

中子星,简单来说就是由中子组成的一种天体,中子是核子的一种,是组成物质的微观粒子之一。中子星的形成过程与黑洞类似,都是由恒星超新星爆发的。

中子星的形成过程

在恒星内部主要是由氢元素构成的,氢元素会在高温状态下,发生了热核反应,也就是核聚变反应,当恒星内部的氢元素燃烧殆尽的时候,恒星内部产生的能量无法维持外壳稳定,然后恒星的外壳会发生坍缩并产生巨大的能量,会将核外电子挤入质子之中,电子带负电,质子带正电,那么电子加上质子就会变成不带电的中子,于是所有的物质都被压缩成一个由中子组成的高密度天体。

如果这颗恒星生前的质量足够大,那么当超新星爆炸之后,就会变成一个黑洞,如果恒星的质量不够大,以太阳为例,太阳的质量是1.9891*10^30千克,而要想变成中子星的恒星大约是太阳质量的10倍,也就是说是1.9891*10^31千克,绝大多数的脉冲星都是中子星,但中子星不一定都是脉冲星。

中子星物质每立方厘米质量高达8000万到20亿吨,与水相比,是水密度的100万亿倍左右,而与白矮星相比,白矮星几十吨每立方厘米的密度跟中子星比起来,那简直就是小巫见大巫。

中子星的密度这么大,因此其引力场也是非常强大的,其逃逸速度达到了100000公里每秒到150000公里每秒左右,相当于光速的三分之一到二分之一,这也说明了当一个物体的速度不能达到三分之一光速的时候,它就不能脱离中子星的引力束缚,会被中子星强大的引力场直接撕碎。

事实上,如果把地球的密度压缩成与中子星一样的话,那么地球的直径将只会有22米,而且像太阳这么大的天体,压缩之后的半径也不过只有10公里而已。

中子星除了有高密度、高压力、高温度的特点之外,还有一个特点,在形成中子星的时候,一些中子星会保留恒星一部分的角动量,可以说所有的中子星并不都是静止的,而是旋转的,甚至还有的会高速旋转,并且中子星在高速旋转的同时,还会从两级向外释放出高强度的辐射,我们成这种中子星称为脉冲星。

由于脉冲星可以高速旋转并向外释放脉冲辐射,因此脉冲星是宇宙中最为精准的时钟,是航天过程中一个重要的时间参考。

要了解为什么中子星会质量巨大,我们就得先从原子结构说起。

原子结构

其实有很多人对原子结构都有误会,这是因为上学的时候,老师为了方便教学,会用一些模型,这些模型的比例实际上都有问题。比如说下面这张:

原子核和电子的个头实际上是偏大了,而且大得不是一般得多。那真实的情况应该是什么样子呢?这个问题,其实连带着原子模型长什么样子,经历了好几代科学家才搞清楚。不过,下面最后一张图,还是偏大了。

实际上,原子核的大小事卢瑟福搞清楚的,他用α粒子轰击金箔,他发现大部分的粒子会传过去,只有极其少量得会发生偏折。

由此,我们可计算出原子核大致的大小,如果说原子是一个足球场那么大的,那原子核实际上也就只有一种蚂蚁那么大,电子的大小目前来说我们没完全搞清楚,它可能只是个点状物而已,要比原子核还要小,是以概率云的形式在原子核外围分布。

从这里,我们可以得出这样的结论,那就是原子其实是很空旷的,99%以上都是“空”的。

电子和质子为什么不会反应成为一个中子?

在研究原子核模型的时代,科学家就一直在思考一个问题,那就是原子核是带正电,而电子是带负电,为什么电子不会掉落到原子核内,然后质子和电子反应称为一个中子?

如果这样会实现的话,那原子就会缩小到原来1%的尺度都不到,毕竟原子太空旷了,都是电子云在占地方。

我们要想知道的是,质子和中子,其实都是夸克构成的。

而组成中子的夸克质量之后要比组成质子的夸克的质量之和略大一点,这就导致中子的质量要比质子的质量大一点。根据爱因斯坦的狭义相对论中的质能等价,质量和能量其实是一样东西的两个面,所以多少质量就对应多少能量。因此,中子所蕴含的能量要大于质子,不仅如此,实际上中子的能量是要大于质子+电子+中微子的。根据能量最低原理,万物都是从高能量状态到低能量状态。所以,中子有一点概率自发地衰变成一个质子、一个电子、一个中微子。这其实就是β衰变。

而质子、电子要反应生成中子,由于是要从低能量状态到高能量状态,就需要输入能量,否则根本做不到。

电子简并压力

不过,形成中子星的过程中,如果引力巨大无比,这时候就会把原子们使劲压缩,说白了,引力就在提供这样的能量,想要使得电子进入原子核内。

不过,这时候还有一种量子效应叫做电子简并压力,它是因为泡利不相容原理产生的力。这种简并压力可以和引力相互抵抗,让电子不至于进入原子核。

不过,如果这时候的恒星质量超过1.44太阳质量(小于奥本海默极限),那电子简并压力也不足以抵抗住引力,电子就会被压到原子核内部。也就是说,刚才说到原子之内99%的空间由于电子被压进原子核,而失去这部分空间。原子核和原子核会被挤在一起,说白了就是一堆中子挤到一起。

所以,中子星的密度会异常的大,这里要再强调一下,并不是说中子之间完全没有缝隙,实际上还是有的,并且中子星表面还会有些许电子,中子星的半径一般在10至20公里之间,质量越大,半径就会收缩得越小(这其实是引力在迫使中子之间的缝隙变小)。中子星的密度一般上维持在8*13 g/cm^3到2*10^15 g/cm^3,这样的密度其实是和原子核密度差不多数量级的。所以,一立方厘米吨其实也就不足为奇了,说白了中子星就是一个没有原子之间的空间和原子内的空间的星体,而物质大部分的质量其实是来自于原子核的,损失空间的同时,质量还保住了,才会导致密度如此巨大。

所以,最后我们来总结一下,构成物质的原子和原子之间其实是有间隙的,而原子内部也很空旷,99%基本上都是空的。而中子星说白了就是把核外电子压到了原子核内,使得一群中子排排列的天体,就减少了大部分空间的同时,质量又不会变(原子的质量主要集中在原子核上),因此中子星的密度极其大,数量级大概和原子核差不多。

中子星密度大质量大,一立方厘米重量上亿吨,是什么概念?

其实中子星密度也没什么好稀奇的,假如按中子星的门槛计算密度的话,不过就是和原子核的密度差不多!而原子核就是物质世界中最小组成部分原子的核心而已,去掉了核外电子,剩下的就是原子核!

一、中子星是怎么形成的?

这得从自然界的基本作用力开始说起,已知的四种基本作用力是引力、电磁力、弱力和强力!

这几种作用力中能对抗压缩的是电磁力和强力,气体可以被压缩是因为分子间隙比较大!但固体很难压缩,因为原子与原子之间的间隙非常小,能对抗压缩的是结构支撑与核外电子之间的斥力,当然这都是电磁力所提供!但引力是一种源源不断并且可以无限叠加的作用力,当物质的质量增加到电子之间斥力(同性负电荷)难以对抗时就会被压缩到原子核附近!

1.电子的电磁力斥力为主的对抗阶段

2.电子简并力为主的对抗阶段

在压缩初期,比如地核中心的物质(密度大约为水的100倍),或者太阳核心处的物质(密度大约为水的150倍),此时仍然是电磁力的斥力抗衡阶段,因此密度变化范围是比较大的!

1、白矮星阶段

当质量无限增加后,就会将以斥力为对抗的电子压缩到去无可去时即达到了白矮星的标准,此时对抗引力进一步坍缩的是电子简并作用力,这并不是一种力,而是泡利不相容原理所致,即同一原子中不可能有两个电子可以拥有完全相同的量子态!

二、中子星阶段

即便是是泡利不相容那无法存在完全一致量子态的电子简并力,也是有极限的,而无限增加的质量将会压垮这个结构,而这个质量极限就是稳定白矮星的质量上限:钱德拉塞卡极限,此时电子简并力再也无法对抗引力坍缩,进入了原子核与正电荷的质子中和成了中子,从理论上来看物质就成了中子的海洋,中子星门槛的密度跟原子核密度几乎就是一致的!差不多就是无数原子核聚集在一起的概念,只是没有质子的概念!

当然继续往下还有夸克星和黑洞,跟压垮电子简并力的引力坍缩一样,仍然会有一个压垮中子简并力的质量极限,还有压垮夸克的质量极限,最终就是坍缩向不可逆的黑洞!

三、中子星有什么可以拿出来说道的特点?

1、密度大约为为1×10^14克-10^15克/立方厘米,

2、脉冲星和磁星都属于中子星,其中脉冲星是其磁极与自转轴不一致导致,

3、地球压缩到中子星的话大约只有22M直径,

4、黄金大都来自中子星合并,

5、中子星的逃逸速度约为:10-15万千米/秒,即光速的1/3-1/2左右。

……

四、为什么太阳还没坍缩成中子星?

其实与引力坍缩能对抗的还有辐射压,即内核聚变产生的能量向外壳传播的过程,会产生辐射压,这个将和引力坍缩能对抗,避免恒星过早的坍缩成终极天体,不过以太阳的质量,未来也只能坍缩成白矮星,远未达到中子星的标准!当然这个辐射压与引力坍缩能相比有一个极限,是恒星质量的上限,这是英国天文学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿发现的,即:自然界密实物体的发光强度极限;

中子星的密度极大,每立方厘米重1亿吨以上。中子星的密度大的超乎我们的想象。这是什么概念呢?

中子星的形成

科学家计算,当一颗质量约为太阳8到20倍的恒星最后就可能会变成中子星。恒星是怎样变成中子星的呢?恒星在步入到了老年期后,它核心处的氢、氦和碳等元素在核聚变反应中耗尽,恒星逐渐失去向外支撑恒星庞大躯体的热辐射压力。这样恒星就会发生急速坍塌。外层的物质会在重力的影响下急速的坠落到恒星的核心处。这样恒星就会发生超新星爆炸。在超新星爆炸后剩余的恒星残骸一般会变成中子星。

中子星

中子星的密度为什么会这么大呢?

我们知道,一般的物质都是有原子构成的。原子是由原子核和围绕原子核的电子组成的。原子核是原子的核心部分。原子核非常的小。它的体积只占原子体积的几千亿分之一。打个比方吧,如果把原子比作是一个足球场,那么原子核就是足球场上的一粒沙子。也就是说原子中间存在着非常大的空间的。

原子结构示意图

原子核虽然非常的小,但是它的质量却非常的大。原子核的质量占到了整个原子的99.96%。那么中子星和原子核又有什么关系呢?恒星在形成中子星后,它上面的物质都急剧地向核心收缩。巨大的压力使得电子被压缩到了原子核中。想象一下前面提到的原子核和电子之间的巨大空间,现在都被压缩掉了。在中子星中原子核一个个的紧密的挨到了一起。电子和原子核中的质子中和变成了中子。

一个原子被压缩到了原子核那么大小。体积被压缩了几千亿倍。想象一下中子星的密度是有多么的大。

中子星

中子星的密度大到什么程度?

中子星的密度可以达到一立方厘米1亿吨甚至是10亿吨。这是什么概念呢?和水比较一下,水的密度是1克/立方厘米。中子星物质密度是水密度的100万亿倍。

太阳的质量是地球的66万倍,体积是地球的130倍。如果将当太阳压缩成一个中子星,它的直径仅有20公里左右。此时的地球的体积则是被压缩后太阳的2.6亿倍。然而如果把地球压缩到中子星那种状态的话,地球的直径仅有44米。

中子星和地球

现在朋友们对中子星的密度有所了解了吧。

这些东西搞在地球上来就是一可原子弹的力量,我觉得是这样

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