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  • 中子星

    中子星,又名波霎,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。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,乒乓球大小的中子星相当于地球上一座山的重量。中子星是20世纪激动人心的重大发现,为人类探索自然开辟了新的领域,而且对现代物理学的发展产生了深远影响,成为上世纪60年代天文学的四大发现之一。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 中子星 英文名: A neutron star
    别 称: neutron star 面 积: 约300平方公里
    意 义: 黑洞外密度最大的星体(已观测) 逃逸速度: 在10,000至150,000千米/秒之间
    表面温度: 超过1000万摄氏度 内部温度: 超过60亿摄氏度
    半 径: 10—30公里

    目录

    简介/中子星 编辑

    非常靠近地球的中子非常靠近地球的中子

    中子星,又名波霎(注:脉冲星都是中子星,但中子星不一定是脉冲星,我们必须要收到它的脉冲才算是)是恒星演化到末期,经由重力崩溃发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢于核聚变反应中耗尽,完全转变成铁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,或者根据局恒星质量的不同,整个恒星被压缩成白矮星、中子星以至黑洞

    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,直径大约只有十余公里,但上头一立方厘米的物质便可重达十亿吨,且旋转速度极快,而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可能会以一明一灭的方式传到地球,有如人眨眼,故又译作波霎。

    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竟为一亿吨之巨。中子星是除黑洞外密度最大的星体,是20世纪60年代最重大的发现之一。

    发现/中子星 编辑

    中子星-内部结构模型图中子星-内部结构模型图

    1932年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的詹姆斯·查德威克发现了中子,并因此获得1935年的诺贝尔物理学奖。俄国著名物理学家列夫·朗道及其同事们随即预测存在一种完全由中子组成的星,但他们的想法并没有及时发表。

    1934年,美国威尔逊山天文台工作的沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基发表文章称,中子简并压力能够支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星,预言了中子星的存在。为寻找超新星爆炸的解释,他们提议中子星是超新星爆炸后的产物。超新星是突然出现在天空中的垂死恒星,在出现后的几天或整个星期内,在可见光的亮度上可以超越整个星系。巴德和茨威基正确的解释产生中子星时释放出的重力束缚能,供给了超新星的能量:“在超新星形成的过程中大量的质量被湮灭”。如果在中心的大质量恒星在他崩溃之前的质量是太阳质量的3倍,那么在中心可能形成一颗2倍太阳质量的中子星。被释放出来的束缚能(E=mc2 )相当于一个太阳的质量全数转化成能量,这足以作为超新星最后的能量来源。

    第二次世界大战爆发前不久,美国物理学家罗伯特·奥本海默和沃尔科夫提出了系统的中子星理论,认为在质量与太阳相似的恒星内部可以达到简并中子的流体静力学平衡,但是并没有引起天文学界的重视。

    1965年,安东尼·休伊什和Samuel Okoye在1054年的超新星(天关客星)爆炸后的残骸"蟹状星云发现了一个异于平常的高电波亮度温度源"。

    1967年,剑桥大学卡文迪许实验室的乔丝琳·贝尔和安东尼·休伊什发现了有规律的无线电脉冲,随后被推断来自于旋转中的中子星,而且极大数量的中子星都属于此类。

    1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。

    1969年,在1054年超新星爆发的残骸蟹状星云中,发现了一颗射电脉冲星(中子星),证明了脉冲星、中子星和超新星之间的关系。

    1971年,里卡尔多·贾科尼等人发现半人马座的X射线源半人马座X-3具有4.8秒的周期,他们解释这是一颗炙热的中子星环绕者另一颗恒星的结果,能量来源是持续不断掉落至中子星表面的气体释放出的引力势能。这是第一颗证认的X射线双星。

    在1974年,安东尼·休伊什因为在脉冲星的发现上所扮演的角色而获得诺贝尔物理学奖,但是共同的发现者Samuel Okoye和乔丝琳·贝尔并未一同获奖。

    形成/中子星 编辑

    中子星的前身一般是一颗质量比太阳大的恒星。它在爆发坍缩过程中产生的巨大压力,使它的物质结构发生巨大的变化。在这种情况下,不仅原子的外壳被压破了,而且连原子核也被压破了。原子核中的质子和中子便被挤出来,质子和电子挤到一起又结合成中子。最后,所有的中子挤在一起,形成了中子星。显然,中子星的密度,即使是由原子核所组成的白矮星也无法和它相比。在中子星上,每立方厘米物质足足有10亿吨重。当恒星收缩为中子星后,自转就会加快,能达到每秒几圈到几十圈。同时,收缩使中子星成为一块极强的“磁铁”,这块“磁铁”在它的某一部分向外发射出电波。当它快速自转时,就像灯塔上的探照灯那样,有规律地不断向地球扫射电波。

    观测中子星/中子星 编辑

    X-射线爆发

    中子星与低质量恒星共同组成的联星,在质量吸积的过程中会造成中子星表面不规则的能量爆发。

    脉冲星

    当脉冲星被发现之后,快速的脉冲(大约1秒钟,在1960年代的天文学是很不寻常的)被半认真的视为外星高智生命传送来的讯息,随后被半开玩笑的称为小绿人,标示为LGM-1。但在更多的,以不同的自转周期散布在天空各处的脉冲星被发现之后,就迅速的排除了这种可能性。而在发现船帆座脉冲星和超新星残骸的关联性之后,更进一步发现蟹状星云的能量来自一颗脉冲星,不得不令人信服脉冲星是中子星的解释。

    磁星

    还有另外一种中子星,称作磁星。磁星具有大约1011特斯拉的磁场,大约是普通中子星的1000倍。这足以在月球轨道的一半距离上擦除地球上的一张信用卡。作为对比,地球的自然磁场是大约6×10-5 特斯拉;一小块钕磁铁的磁场大约是1特斯拉;多数用于数据存储的磁介质可以被10-3 特斯拉的磁场擦除。

    磁星有时会产生X射线脉冲。大约每10年,银河系中就会有某一颗磁星爆发出很强的伽马射线。磁星有比较长的自转周期,一般为5到12秒,因为它们的强磁场会使得自转速度减慢。

    结构/中子星 编辑

    外壳

    结构图结构图

    典型中子星的外层为固体外壳,厚约一公里,密度高达每立方厘米一千亿克以上,由各种原子核组成的点阵结构和简单的自由电子气组成。外壳内是一层主要由中子组成的流体,在这层还有少量的质子、电子和m介子。

    巨大核心

    中子星

    β衰变成电子、质子、中微子-内部结构模型图β衰变成电子、质子、中微子-内部结构模型图

    大致分三层,核心部分因压力更大,由超子组成;中间层则是自由中子,表面因中子进行β衰变成电子、质子、中微子。因具有原子核的某些包括密度在内的性质。因此,在流行的科学文献中,中子星有时被称为巨型原子核。然而在其他方面,中子星和真正的原子核是很不一样的。例如,原子核是靠强相互作用结合在一起,而中子星是靠引力相互作用结合在一起。根据当今主流理论,把它们看作天体会更正确一些。β衰变成电子、质子、中微子-内部结构模型图[1]

    特征/中子星 编辑

    质量

    中子星的质量下限约为0.1太阳质量,上限在1.5-2太阳质量之间。

    半径

    中子星半径的典型值约为10公里。

    密度

    对于中子星内部的密度高达10的16次方克/立方厘米的物态,目前有三种不同的看法:①超子流体;②固态的中子核心;③中子流体中的π介子凝聚。

    磁场

    中子星另一个重要特征是存在强度极高的磁场,超过10的12次方高斯,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。它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波(射电波)。中子星自转非常快,能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合,所以如果中子星的磁极恰好朝向地球,那么随着自转,中子星发出的射电波束就会象一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球,形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。1967年发现了脉冲星,首次证明了中子星的存在。

    现已发现1620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10趵15次方/立方厘米,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。[2]

    反常中子星/中子星 编辑

    根据李政道等提出的反常核态理论,可能存在稳定的反常中子星,它们可能是晚期恒星的一个新的类型或新的阶段,致密星可能有第三个质量极限,即反常中子星的极大质量,约为3.2太阳质量。

    爆发时的变化/中子星 编辑

    中子星中子星

    加拿大理论天体物理研究所的巴尔兰泰因博士和美国国家航空航天局哥达德航天飞行中心的斯特罗梅耶博士通过罗希X射线时变探测器,观测到中子星爆发时表面气体变化的细节。他们的论文发表在即将出版的《天体物理学杂志通讯》上。巴尔兰泰因博士和斯特罗梅耶博士此次观测到的是距地球2.5万光年的4U1820-30中子星爆发时,它的吸积盘内部的变化情况。所谓吸积盘,指的是由于受到巨大引力的吸引,围绕中子星或黑洞旋转的炽热等离子气体。

    在重力的吸引下,中子星上面会形成一个10至100米厚的堆积层。堆积层主要由构成,在温度及压力的作用下,这些堆积层会发生核聚变。当氦聚变为碳或其它重物质时,会释放出大量能量及强烈的X射线。在中子星上这种爆发通常每天都会发生几次,每次会持续几秒。但此次观测到的是4U1820-30的一次超级爆发,它释放出比正常爆发多几千倍的能量。科学家认为在氦聚变时会积累下以碳为主的核灰尘,而超级爆发是由核灰尘引起的,炭灰尘积累几年后才会引起聚变。

    中子星超级爆发时,就像闪光灯在表面闪亮,照到它的吸积盘的内部地区。中子星爆发发出的X射线照射到吸积盘中的铁原子,发出X射线荧光。罗希X射线时变探测器每隔几秒钟就可以观测一次铁原子X射线荧光的光谱,由此可确定铁原子的温度、速率及在中子星周围的位置,通过把这些信息累加起来,就可以知道中子星爆发时吸积盘的变化情况。

    由于4U1820-30的这次罕有的爆发释放了巨大的能量,在3小时内释放的能量超过太阳在100年中释放的能量,照亮了它的吸积盘的最内部的区域,使科学家们能观察以前见不到的细节。他们在大约1000秒的时间内,看到了距中子星表面约10英里的气体围绕中子星流动及回复到原有状态的细节。

    爆炸产物/中子星 编辑

    美国哈佛-史密森天体物理学中心研究人员说,2013年6月,他们借助美国航天局SWIFT卫星,观测到一次伽马射线暴。这一代号为GRB 130603B的伽马射线暴距地球约39亿光年,持续时间不到0.2秒,但其红外线余晖却持续数天时间。

    研究人员解释说,中子星碰撞后会喷射出富含中子的物质,这些物质产生的放射性元素在衰变时就会发出这种红外线余晖。结合宇宙大爆炸以来可能发生的中子星碰撞爆炸数量以及一次伽马射线暴可能产生的金子数量,研究人员发现,宇宙中的金子可能全部来自这种伽马射线暴。

    天文信息/中子星 编辑

    天文望远镜发现了迄今转速最快的中子星,每秒旋转1122圈,比地球自转快1亿倍。

    最先观测到这颗星的西班牙天文学家库克勒说,早在1999年便已发现了这颗代号为J1739-285的中子星,但不久前才通过望远镜算出它的转速。

    这颗中子星的直径约10千米,但质量却与太阳相近,其密度惊人,高达每立方厘米1亿吨。其巨大引力从临近恒星不断夺取大量炙热气体,并不断诱发热核爆炸。

    天文学家正是通过这种现象发现了它。此前的中子星自转纪录是每秒716圈,恒星转速一般在每秒270-715圈。700圈曾被认为是天体旋转极限,按当今的物理学理论,转速超过此极限,恒星将被强大向心力摧毁或化为黑洞。但最新发现否定了这一看法。

    理论上,每秒1122转并不是旋转极限,大型中子星转速有可能高达3000转。令天文学家困惑的是,为什么天体在高速旋转的强大离心力下,却依会不断收缩,而且不损失自身物质。

    发现脉冲星

    1967年10月,剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号,它们的周期十分稳定,为1.337秒。起初她以为这是外星人“小绿人(LGM)”发来的信号,但在接下来不到半年的时间里,又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体,并把它命名为脉冲星(Pulsar,又称波霎)。脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道,并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。

    然而,荣誉出现了归属争议。1974年诺贝尔物理学奖桂冠只戴在导师休伊什的头上,完全忽略了学生贝尔的贡献,舆论一片哗然。英国著名天文学家霍伊尔爵士在伦敦《泰晤士报》发表谈话,他认为,贝尔应同休伊什共享诺贝尔奖,并对诺贝尔奖委员会授奖前的调查工作欠周密提出了批评,甚至认为此事件是诺贝尔奖历史上一桩丑闻、性别歧视案。霍伊尔还认为,贝尔的发现是非常重要的,但她的导师竟把这一发现扣压半年,从客观上讲就是一种盗窃。更有学者指出,“贝尔小姐作出的卓越发现,让她的导师休伊什赢得了诺贝尔物理奖”。著名天文学家曼彻斯特和泰勒所著《脉冲星》一书的扉页上写道:“献给乔瑟琳·贝尔,没有她的聪明和执著,我们不能获得脉冲星的喜悦。”

    关于脉冲星真正发现者的争论和对诺贝尔奖委员会的质疑,已经历了40年。40年后的今天,它再次成为关注话题。回首往事,作为导师的休伊什获得了诺贝尔奖,无可厚非,但贝尔失去殊荣,却令人感到惋惜。如果没有贝尔对“干扰”信号一丝不苟的追究,他们可能错过脉冲星的发现。若把诺贝尔奖“竞赛”比作科学“奥运会”,那么,40年前的“裁判”们显然吹了“黑哨”,至少是误判,这玷污了诺贝尔奖的科学公正权威性。

    贝尔访问北京期间,笔者与她谈起脉冲星的发现经历和对诺贝尔奖的看法,她说,脉冲星发现后不久,她就被迫离开了剑桥大学。沉默稍许,她直言,上世纪60年代,科学机构普遍存在忽视学生贡献的倾向,特别是女学生。导师经常以“上级领导”自居,将学生成果窃为己有,然后想办法把学生一脚踢开。然而,1993年,两位美国天文学家因发现脉冲星双星而荣获诺贝尔奖时,诺贝尔奖委员会格外精心,邀请贝尔参加了颁奖仪式,算是一种补偿吧。1968年,离开剑桥后,她和休伊什没有再合作,直到上世纪80年代,他们才在一次国际会议上相见,并握手言和。脉冲星发现以来,除了诺贝尔奖,她荣获了十几项世界级科学奖,并成为科学大使。

    中子星与脉冲星的区别

    所有的脉冲星都是高速自转的中子星,也就是说脉冲星是中子星的一种,但中子星不全是脉冲星,我们要收到脉冲信号才算。中子星具有强磁场,运动的带电粒子发出同步辐射,形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合,每当射电波束扫过地球时,就接收到一个脉冲。这时这颗中子星也叫脉冲星。脉冲星是本世纪60年代四大天文发现之一(其他三个是:类星体、星际有机分子、宇宙3K微波辐射)。因为它不停地发出无线电脉冲,而且两个脉冲之间的间隔(脉冲周期)十分稳定,准确度可以与原子钟媲美。各种脉冲星的周期不同,长的可达4.3秒,短的只有0.3秒,甚至毫秒级。

    中子星一边自转一边发射像电子束一样的电脉冲。该电脉冲像灯塔发出的光一样,以一定的时间隔掠过地球。当它正好掠过地球时,我们就可以测定它的有关数值。

    脉冲星是高速自转的中子星,但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时,我们就接收不到脉冲信号,此时中子星就不表现为脉冲星了。

    中子星和黑洞

    中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最强大的两类颇具神秘感的天体。光是中子星就已经够不可思议了,偏偏还要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和无底深渊,没有物质能摆脱它的强大引力,包括光线。在它附近,今天的所有物理定律都显得不适用了。

    恒星末期

    我们知道,当恒星走完其漫长的一生后,小质量和中等质量的恒星将成为一颗白矮星,大质量和超大质量的恒星则会导致一次超新星爆发。超新星爆发后恒星如何演变将取决于剩下星核的质量。印度天体物理学家昌德拉塞卡于上世纪三十年代末发现,当留下的星核质量达到太阳的一点四倍时,其引力将大到足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度。此时这颗星核就成了一颗中子星,其密度相当于把一个半太阳的质量塞进直径约二十四公里的一个核内。

    这是一个单个的中子星,其表面温度高达一百二十多万度,直径只有二十八公里。(HST)以两百倍音速高速运动着的中子星,距地球约两百光年。三十万年后将对地球产生轻微影响。(HST)在星系中漂浮的单个恒星级黑洞,它引起的引力透镜现象使位于其后方的恒星产生了两个像。(HST)位于NGC6251中心发出强烈紫外线辐射的尘埃盘,其内部可能存在一个巨型黑洞。(HST)椭圆星系NGC7052中心的尘埃盘,其中央可能有一个质量为太阳三亿倍的超级黑洞。(HST)人马座A(NGC5128)星系中心的尘埃盘,其中有一个巨大的超级黑洞。(HST)银河系的中心人马座A*据说也是一个黑洞。

    研究价值/中子星 编辑

    引力波研究

    北京时间2017年10月16日22点,美国国家科学基金会召开新闻发布会,宣布激光干涉引力波天文台(LIGO)和室女座引力波天文台(Virgo)于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件,国际引力波电磁对应体观测联盟发现了该引力波事件的电磁对应体。重金属元素的来源

    科学家们认为地球上的黄金、铂金和其他重金属元素可能来自于太阳系诞生前几亿年中子星碰撞的大爆炸。

    长期以来普遍认为普通的元素如氧和碳,是在将近死亡的恒星爆炸变成新星时生成的,但是研究学者们感到困惑的是,数据显示这些恒星爆炸不能产生像在地球上这样大量存在的重金属元素。来自英国莱瑟斯特大学和瑞士巴塞尔大学的这些科学家们相信,答案存在于稀有的中子星对上。

    中子星是生成新型的大恒星的超高密度的内核,它们所包含的物质有我们的太阳那么多,但只有大约一座城市那么大。有时会发现两颗中子星互相绕对方沿轨道旋转,这是双星系的遗留物,在我们的银河系中已知有4对。科学家们使用了在英国伦敦以北100英里的莱瑟斯特天体物理流体设备的超级计算机做模拟,如果使它们慢慢旋转着靠近发生爆炸,这样巨大的引力会造成什么结果。

    进行一次这样的计算要耗费超级计算机几个星期的时间,而这只是在两个星球的一生中最后几个毫秒中发生的事情。结果显示,当中子星靠近时,巨大的力量将它们劈开,释放出足够的能量,可以将整个宇宙照亮几个毫秒。这个碰撞更可能是产生一个黑洞——空间中吞没光的裂口——并在发生核反应时喷射出灰,把质子射入轻元素的原子核而生成重元素。喷发出的物质和恒星间的气体和灰尘相混合、碰撞,构成了新的一代星体,慢慢使重金属散布在银河系中。

    在宇宙中出现这种罕见的现象的几率大约是一百亿年以上,这和我们在已有五十亿年寿命的太阳系中对元素光谱所做的分析结果相符,为这种理论提供了有力的证据。令人惊奇的是所做的模型产生出的元素的数量和宇宙非常非常接近,它部分回答了我们的世界从何而来这个问题。

    相关文献

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    参考资料
    [1]^引用日期:2013-07-19
    [2]^引用日期:2009-12-20

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