中子星“游記”

初鵬程

由牛頓的萬(wàn)有引力定律可知，凡是具有質(zhì)量的物質(zhì)都會(huì)產(chǎn)生引力，引力的大小與質(zhì)量成正比，即質(zhì)量越大產(chǎn)生的引力也越大。引力的特點(diǎn)是以物質(zhì)的質(zhì)心為中心來(lái)計(jì)算的，所以恒星雖然擁有巨大的體積，但它的引力還是以質(zhì)心為原點(diǎn)的。星體內(nèi)部的物質(zhì)所受的引力指向星體核心，需要星體物質(zhì)自身產(chǎn)生較高的壓強(qiáng)，凈壓強(qiáng)沿著星體半徑的方向朝外才能抵消引力，最終通過(guò)受力平衡來(lái)形成穩(wěn)定的星體。

星體內(nèi)部的引力（繪圖/ 周游）

一般來(lái)說(shuō)，星體物質(zhì)的壓強(qiáng)越大，溫度也越高，所以恒星內(nèi)部核心處會(huì)有非常高的溫度，足以達(dá)到產(chǎn)生核反應(yīng)的條件，持續(xù)釋放能量來(lái)抵消引力引起的內(nèi)縮。

其實(shí)不只是恒星，任何天體或者是具有質(zhì)量的物質(zhì)，都會(huì)產(chǎn)生同樣的現(xiàn)象。

白矮星、中子星、黑洞是恒星演化的3種結(jié)局，它們都屬于致密星。

太陽(yáng)質(zhì)量是用于測(cè)量恒星或如星系類大型天體的質(zhì)量單位。它的大小等于太陽(yáng)的總質(zhì)量，大約1.989X1030千克（一般取2X1030千克），為地球質(zhì)量的33萬(wàn)倍。雖然太陽(yáng)的質(zhì)量和體積遠(yuǎn)大于地球，但放在宇宙中，它的亮度、大小、質(zhì)量都非常普通，因此人們一般采用我們熟悉的太陽(yáng)質(zhì)量作為單位，來(lái)衡量其他觀測(cè)到的恒星的質(zhì)量。

恒星的演化

而恒星演化為何種致密星主要取決于它自身的質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)量在1～8倍太陽(yáng)質(zhì)量的小質(zhì)量恒星，最終會(huì)演化成白矮星，例如太陽(yáng)。而大質(zhì)量的恒星可能演化成中子星，更大質(zhì)量的恒星則可能坍縮成黑洞。

在質(zhì)量為太陽(yáng)質(zhì)量10 倍以上恒星的演化末期，如果其核心核反應(yīng)太過(guò)劇烈，快速耗盡能量，恒星會(huì)被強(qiáng)大的引力壓縮，星體物質(zhì)的相互作用間距被進(jìn)一步減小，并在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生劇烈的爆炸，這就是“超新星爆發(fā)”。

在爆炸中，原子的核外電子被“壓”進(jìn)原子核，原子核中的質(zhì)子會(huì)與之結(jié)合，形成中子。因此，超新星爆發(fā)后的星體中的中子積累增多，在構(gòu)成星體的粒子中，中子的比例也是最高的，中子星就形成了。

中子星質(zhì)量大、密度高、引力強(qiáng)。在當(dāng)前物理學(xué)前沿領(lǐng)域中，中子星方向的研究始終有一席之地。追溯其歷史起源，1932年，蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道在英國(guó)物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)中子后不久，即提出有可能會(huì)存在完全由中子構(gòu)成的星體，中子星的概念自此而生；1967年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星，人們很快意識(shí)到它應(yīng)該是理論上推測(cè)已久的中子星，由此揭開(kāi)了大規(guī)模研究中子星的序幕。很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，中子星被大家視為致密星體的代表。

中子星的質(zhì)量一般為1～2倍的太陽(yáng)質(zhì)量，半徑非常小，10千米上下，由此可見(jiàn)其致密程度。在《西游記》中，孫悟空的“如意金箍棒”重13500斤， 能變成繡花針塞到耳朵里。倘若以中子星的物質(zhì)做出一根繡花針，質(zhì)量就會(huì)變成原來(lái)的10萬(wàn)倍，估計(jì)強(qiáng)如孫大圣也不敢將它放進(jìn)耳朵里了。如果從中子星中“摳出”乒乓球大小的一團(tuán)物質(zhì)，其重量可以與珠穆朗瑪峰相提并論。

讀者們可以考慮下，密度這么大的中子星，內(nèi)部除了中子還有沒(méi)有別的構(gòu)成粒子呢？答案是有的，中子星內(nèi)部中子為其主要成分，質(zhì)子和電子也有一定的比例，甚至還會(huì)包含一些超子（含有奇異夸克的一類粒子）和μ 子（一種輕子，電子也是輕子）。

而對(duì)于中子星的內(nèi)部物質(zhì)狀態(tài)及整體結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們尚未完全探明，人們猜測(cè)可能是聚合得更緊密的中子、質(zhì)子、超子，還可能是由夸克物質(zhì)構(gòu)成的“夸克核心”！

超新星爆發(fā)

在致密星體中，還存在著強(qiáng)大的磁場(chǎng)，星體表面磁場(chǎng)可以達(dá)到1011高斯以上，內(nèi)部磁場(chǎng)可能會(huì)更強(qiáng)，而地球內(nèi)部磁場(chǎng)只有0.5～0.6高斯，可見(jiàn)致密星體內(nèi)部磁場(chǎng)極強(qiáng)。如此巨大的磁場(chǎng)，甚至?xí)淖冎旅苄求w內(nèi)部物質(zhì)的分布，使得致密星體物質(zhì)的壓強(qiáng)分布不再是球?qū)ΨQ，而是根據(jù)磁場(chǎng)分布產(chǎn)生變化。

此時(shí)的致密星，我們就可以統(tǒng)稱為磁星了。磁星內(nèi)部磁場(chǎng)的分布也是致密星體領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題，目前提出的分析思路很多，但是并沒(méi)有準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)方法去驗(yàn)證。

我們可以將磁星內(nèi)部磁場(chǎng)投影分解成兩種情況：第一種情況是磁場(chǎng)在磁星內(nèi)部沿著磁星半徑方向發(fā)出，從另一極繞回，像是地球的磁場(chǎng)；另一種情況是磁星內(nèi)部磁場(chǎng)在星體內(nèi)部垂直于徑向的平面中隨機(jī)閉合分布，但這種磁場(chǎng)分布情況科學(xué)家尚未完全探明。

而且磁星質(zhì)量與半徑會(huì)隨著磁星內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向分布而發(fā)生顯著變化，因此磁場(chǎng)是影響致密星性質(zhì)的一個(gè)重要方面。

磁星示意圖

在廣袤的宇宙中，無(wú)數(shù)的天體自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、相互吸引，大量的宇宙射線起源、傳播、縱橫交錯(cuò)，人們?cè)谖锢砼c天文上的相關(guān)研究延綿幾千年，獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)與理論成果，不斷拓闊我們對(duì)于宇宙的認(rèn)知。

（責(zé)任編輯 / 張麗靜 美術(shù)編輯 / 周游）

談到夸克物質(zhì)，就要提一個(gè)較有歷史且又令人向往的名字——夸克。

直到大約30年以前，人們還以為質(zhì)子和中子是基本粒子（ 即不可再分）。但事實(shí)上，它們也是由更小的粒子構(gòu)成的，那就是夸克。它分為“上、下、奇異、粲（càn）、底、頂”6味（“味”可視為夸克的種類）。其名字的命名是由物理學(xué)家蓋爾曼從《芬尼根的守靈夜》（愛(ài)爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯創(chuàng)作的長(zhǎng)篇小說(shuō)）中選擇的，以此表示對(duì)科學(xué)語(yǔ)言自由的向往。

夸克具有分?jǐn)?shù)電荷，例如上夸克與下夸克的電量，分別是元電荷的+2/3倍與－1/３倍。簡(jiǎn)單地說(shuō)，兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克就可以構(gòu)成一個(gè)質(zhì)子，兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克可構(gòu)成一個(gè)中子（讀者可以驗(yàn)證下）。

以水分子為例的從分子到夸克