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中子星,又名波霎,是依靠簡併中子的壓力與引力相平衡的緻密星。

1 中子星 -基本簡介

中子星非常靠近地球的中子

中子星,又名波霎(註:脈衝星都是中子星,但中子星不一定是脈衝星,我們必須要收到它的脈衝才算是。)是恆星演化到末期,經由重力崩潰發生超新星爆炸之後,可能成為的少數終點之一。恆星在核心的氫於核聚變反應中耗盡,完全轉變成鐵時便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質受重力牽引會急速向核心墜落,有可能導致外殼的動能轉化為熱能向外爆發產生超新星爆炸,或者根據局恆星質量的不同,整個恆星被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。

白矮星被壓縮成中子星的過程中恆星遭受劇烈的壓縮使其組成物質中的電子併入質子轉化成中子,直徑大約只有十餘公里,但上頭一立方厘米的物質便可重達十億噸,且旋轉速度極快,而由於其磁軸和自轉軸並不重合,磁場旋轉時所產生的無線電波可能會以一明一滅的方式傳到地球,有如人眨眼,故又譯作波霎。

中子星的密度為10的11次方千克/立方厘米, 也就是每立方厘米的質量竟為一億噸之巨。中子星是除黑洞外密度最大的星體,同黑洞一樣,也是20世紀60年代最重大的發現之一。

乒乓球大小的中子星相當於地球上一座山的重量。這是20世紀激動人心的重大發現,為人類探索自然開闢了新的領域,而且對現代物理學的發展產生了深遠影響,成為上世紀60年代天文學的四大發現之一。

中子星中子星的組成粒子圖

 

中子星中子星-內部結構圖

 

2 中子星 -基本性質

中子星望遠鏡鏡頭下的中子星

(1)無例外地都是很小的,小得出奇。它的典型直徑只有10公里,也就是說,小小中子星的「腰圍」只有30多公里,相當於一輛汽車以普通速度行駛1小時的距離。可是,就是這麼顆小個子恆星,卻有那麼多的極端的物理條件,也真是夠驚人的!

(2)密度大得驚人。密度一般用1立方厘米有多少克來表示,水的密度是每立方厘米重1克,鐵是7.9克,汞是13.6克。如果我們從脈衝星上面取下1立方厘米物質,稱一下,它可重1億噸以上、甚至達到10億噸。假定我們地球的密度也達到這種聞所未聞的驚人程度的話,那它的平均直徑就不是6371公里,而是一二百米或更小。

(3)溫度高得驚人。據估計,中子星的表面溫度就可以達到1000萬度,中心還要高數百萬倍,譬如說達到60億度。我們以太陽來作比較,就可以有個稍具體的概念:太陽表面溫度6000℃不到,越往裡溫度越高,中心溫度約1500萬度。

(4)壓力大得驚人。我們地球中心的壓力大約是300多萬個大氣壓,即我們平常所說的1標準大氣壓的300多萬倍。脈衝星的中心壓力據認為可以達到10000億億億個大氣壓,比地心壓力強30萬億億倍,比太陽中心強3億億倍。

(5)特彆強的磁場。在地球上,地球磁極的磁場強度最大,但也只有0.7高斯(高斯是磁場強度的單位)。太陽黑子的磁場更是強得不得了,約1000~4000高斯。而大多數脈衝星表面極區的磁場強度就高達10000億高斯,甚至20萬億高斯。

脈衝星都是我們銀河系內的天體,距離一般都是幾千光年,最遠的達55000光年左右。根據一些學者的估計,銀河系內中子星的總數至少應該在20萬顆以上,到80年代末,已經發現了的還不到估計數的千分之五。今後的觀測、研究任務還很艱巨。

中子星從發現至今,只有短短二三十年的時間,儘管如此,不論在推動天體演化的研究方面,在促進物質在極端條件下的物理過程和變化規律的研究方面,它已經為科學家們提供了非常豐富而不可多得的觀測資料,作出了貢獻。同時,它也在這個新開拓的領域內,向人們提出了一連串的問題和難解的謎。

3 中子星 -基本特徵

中子星中子星的內部特徵

對於中子星內部的密度高達10的16次方克/立方厘米的物態,目前有三種不同的看法:①超子流體;②固態的中子核心;③中子流體中的π介子凝聚。在極高密度下,當重子核心彼此重迭得相當緊密時(這種情形有可能出現於大質量中子星的中心部分),物質的性質如何,是一個完全沒有解決的問題。中子星的質量下限約為0.1太陽質量,上限在1.5~2太陽質量之間。中子星半徑的典型值約為10公里。密度最低的固態表面是高密度的鐵。

中子星另一個重要特徵是存在強度極高的磁場,超過10的12次方高斯,它使表層的鐵聚合成長長的鐵原子鏈:每個原子都被壓縮並沿磁場被拉長,而且首尾相接,形成從表面向外伸出的「須狀物」。在表面以下,由於壓力太高,單個原子不能存在。它使中子星沿著磁極方向發射束狀無線電波(射電波)。中子星自轉非常快,能達到每秒幾百轉。中子星的磁極與兩極通常不吻合,所以如果中子星的磁極恰好朝向地球,那麼隨著自轉,中子星發出的射電波束就會象一座旋轉的燈塔那樣一次次掃過地球,形成射電脈衝。人們又稱這樣的天體為「脈衝星」。1967年發現了脈衝星,首次證明了中子星的存在。

現已發現1620多顆脈衝星,普遍認為它們就是旋轉的中子星。蟹狀星雲脈衝星和船帆座脈衝星的脈衝周期極短,說明它們不可能是白矮星。據認為,脈衝星是由於它們的旋轉和強磁場而產生的一種電動力學現象,就像發電機的情況一樣。另有證據表明,某些雙星X射線源也包含著中子星,它們似乎是由於壓縮從伴星吸積到它們表面上的物質而發出X射線的。中子星據信是超新星爆發形成的,在該過程中,隨著核心密度增至10趵15次方/立方厘米,中子壓力便會頂住中心核的坍縮。若坍縮中心核的質量超過太陽質量的2倍,則不能形成中子星而可能變成黑洞。

4 中子星 -科學發現

中子星中子星

1967年,天文學家偶然接收到一種奇怪的電波。這種電波每隔1—2秒發射一次,就像人的脈搏跳動一樣。人們曾一度把它當成是宇宙人的呼叫,轟動一時。後來,英國科學家休伊什終於弄清了這種奇怪的電波,原來來自一種前所未知的特殊恆星,即脈衝星。這一新發現使休伊什獲得了1974年的諾貝爾獎。到目前為止,已發現的脈衝星已超過300個,它們都在銀河系內。蟹狀星雲的中心就有一顆脈衝星。

脈衝星是本世紀60年代四大天文發現之一 (其他三個是:類星體、星際有機分子、宇宙3K微波輻射)。因為它不停地發出無線電脈衝,而且兩個脈衝之間的間隔(脈衝周期)十分穩定,準確度可以與原子鐘媲美。各種脈衝星的周期不同,長的可達4.3秒,短的只有0.3秒。脈衝星就是快速自轉的中子星。中子星很小,一般半徑只有10千米,質量卻和太陽差不多,質量下限是0.1個太陽的質量,上限是3.2個(據愛因斯坦的廣義相對論,可以達到這個水平).是一種密度比白矮星還高的超密度恆星。

中子星的前身一般是一顆質量比太陽大的恆星。它在爆發坍縮過程中產生的巨大壓力,使它的物質結構發生巨大的變化。在這種情況下,不僅原子的外殼被壓破了,而且連原子核也被壓破了。原子核中的質子和中子便被擠出來,質子和電子擠到一起又結合成中子。最後,所有的中子擠在一起,形成了中子星。顯然,中子星的密度,即使是由原子核所組成的白矮星也無法和它相比。在中子星上,每立方厘米物質足足有10億噸重。當恆星收縮為中子星后,自轉就會加快,能達到每秒幾圈到幾十圈。同時,收縮使中子星成為一塊極強的「磁鐵」,這塊「磁鐵」在它的某一部分向外發射出電波。當它快速自轉時,就像燈塔上的探照燈那樣,有規律地不斷向地球掃射電波。當發射電波的那部分對著地球時,我們就收到電波;當這部分隨著星體的轉動而偏轉時,我們就收不到電波。所以,我們收到的電波是間歇的。這種現象又稱為「燈塔效應」。

中子星的質量極大,一個中子化的火柴盒大小的物質,需要96000個火車頭才能拉動!所以中子星的質量是不可忽視的。中子星的能量輻射是太陽的100萬倍。按照目前世界上的用電情況.它在一秒鐘內輻射的總能量若全部轉化為電能,就夠我們地球用上幾十億年。中子星並不是恆星的最終狀態,它還要進一步演化。由於它溫度很高,能量消耗也很快,因此,它的壽命只有幾億年。當它的能量消耗完以後,中子星將變成不發光的黑矮星。

5 中子星 -爆發細節

中子星中子星

加拿大理論天體物理研究所的巴爾蘭泰因博士和美國國家航空航天局哥達德航天飛行中心的斯特羅梅耶博士通過羅希X射線時變探測器,觀測到中子星爆發時表面氣體變化的細節。他們的論文發表在即將出版的《天體物理學雜誌通訊》上。巴爾蘭泰因博士和斯特羅梅耶博士此次觀測到的是距地球2.5萬光年的4U1820-30中子星爆發時,它的吸積盤內部的變化情況。所謂吸積盤,指的是由於受到巨大引力的吸引,圍繞中子星或黑洞旋轉的熾熱等離子氣體。

在重力的吸引下,中子星上面會形成一個10至100米厚的堆積層。堆積層主要由氦構成,在溫度及壓力的作用下,這些堆積層會發生核聚變。當氦聚變為碳或其它重物質時,會釋放出大量能量及強烈的X射線。在中子星上這種爆發通常每天都會發生幾次,每次會持續幾秒。但此次觀測到的是4U1820-30的一次超級爆發,它釋放出比正常爆發多幾千倍的能量。科學家認為在氦聚變時會積累下以碳為主的核灰塵,而超級爆發是由核灰塵引起的,炭灰塵積累幾年後才會引起聚變。

中子星超級爆發時,就像閃光燈在表面閃亮,照到它的吸積盤的內部地區。中子星爆發發出的X射線照射到吸積盤中的鐵原子,發出X射線熒光。羅希X射線時變探測器每隔幾秒鐘就可以觀測一次鐵原子X射線熒光的光譜,由此可確定鐵原子的溫度、速率及在中子星周圍的位置,通過把這些信息累加起來,就可以知道中子星爆發時吸積盤的變化情況。

由於4U1820-30的這次罕有的爆發釋放了巨大的能量,在3小時內釋放的能量超過太陽在100年中釋放的能量,照亮了它的吸積盤的最內部的區域,使科學家們能觀察以前見不到的細節。他們在大約1000秒的時間內,看到了距中子星表面約10英里的氣體圍繞中子星流動及回復到原有狀態的細節。

6 中子星 -研究價值

中子星中子星

一個科學家小組說地球上的黃金、鉑金和其他中金屬元素可能來自於太陽系誕生前幾億年中子星碰撞的大爆炸。這是令人難以置信的結果。

長期以來普遍認為普通的元素如氧和碳,是在將近死亡的恆星爆炸變成新星時生成的,但是研究學者們感到困惑的是,數據顯示這些恆星爆炸不能產生像在地球上這樣大量存在的重金屬元素。 來自英國萊瑟斯特大學和瑞士巴塞爾大學的這些科學家們相信,答案存在於稀有的中子星對上。

中子星是生成新型的大恆星的超高密度的內核,它們所包含的物質有我們的太陽那麼多,但只有大約一座城市那麼大。有時會發現兩顆中子星互相繞對方沿軌道旋轉,這是雙星系的遺留物,在我們的銀河系中已知有4對。科學家們使用了在英國倫敦以北100英里的萊瑟斯特天體物理流體設備的超級計算機做模擬,如果使它們慢慢旋轉著靠近發生爆炸,這樣巨大的引力會造成什麼結果。

進行一次這樣的計算要耗費超級計算機幾個星期的時間,而這只是在兩個星球的一生中最後幾個毫秒中發生的事情。結果顯示,當中子星靠近時,巨大的力量將它們劈開,釋放出足夠的能量,可以將整個宇宙照亮幾個毫秒。這個碰撞更可能是產生一個黑洞——空間中吞沒光的裂口——並在發生核反應時噴射出灰,把質子射入輕元素的原子核而生成重元素。噴發出的物質和恆星間的氣體和灰塵相混合、碰撞,構成了新的一代星體,慢慢使重金屬散布在銀河系中。

在宇宙中出現這種罕見的現象的幾率大約是一百億年以上,這和我們在已有五十億年壽命的太陽系中對元素光譜所做的分析結果相符,為這種理論提供了有力的證據。令人驚奇的是所做的模型產生出的元素的數量和宇宙非常非常接近,它部分回答了我們的世界從何而來這個問題。

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