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中子星的密度是水的100萬億倍以上,它的表面重力會有多恐怖?
2023/02/03

構成世間萬物的原子,其內部卻空曠得離譜,例如一個處于基態(最低能級)的氫原子,其半徑約為0.528 x 10^-10米,在這個氫原子之中,只有一個半徑約為0.833 x 10^-15米的原子核和一個半徑小于10^-16米的電子。

按照這個比例,如果我們把它的原子核放大到一個足球那麼大,那麼這個氫原子就會放大成一個半徑約為7公里的球體,而電子的大小卻大概只相當于一個玻璃彈珠。看到原子內部居然會如此空曠,相信大家在對此表示驚訝之后,很快就會冒出一個問題:假如我們用力捏一團物質,把原子內的空間全部擠掉,然后會得到什麼?

當然了,我們只是隨便想想而已,畢竟原子不是那麼好捏的,但在宇宙中確實存在著這樣一種致密的天體——中子星。

中子星的密度有多大?

根據科學家的估算,中子星的密度為每立方厘米10^14克至10^15克,也就是說,中子星每立方厘米至少有1億噸,或者可以說,中子星的密度是水的100萬億倍以上。

既然中子星的密度如此驚人,那它的表面重力會有多恐怖?

對于星球的表面重力,我們可以通過重力加速度(g)來衡量,這里有一個簡單的公式,即:g=GM/R^2,其中G為引力常數,M為星球質量,R為星球半徑。

中子星的質量通常都在太陽質量的1.44倍至3倍這個范圍內(其中原因我們放在后面講),這里我們不妨取值為太陽質量的1.5倍,而根據天文學家的觀測,已知中子星的半徑通常介于10公里至20公里之間,這里我們不妨取值15公里。

有了這些數據,再加上已知太陽質量為1.9891 x 10^30kg,引力常數為6.67 x 10^(-11)(單位是N.m^2/kg^2),將這些數據代入上面的公式,我們就可以計算出,中子星的表面重力加速度約為884486466666.67(單位為m/s^2)。

重力可以用公式G=mg來計算,其中的m代表物體的質量,g代表重力加速度,要知道我們地球表面的重力加速度只有9.8(單位為m/s^2),也就是說,對于同一質量的物體,它在中子星表面受到的重力將相當在地球表面的大約900億倍。這到底有多恐怖呢?

這樣說吧,我們知道胡夫金字塔大概有684萬噸,而假如有一個體重為70kg的人站在中子星的表面,那麼他將承受的重力,就相當于他在地球上的時候,有大約924個胡夫金字塔的全部重量壓在他身上。

實際上,在如此恐怖的重力環境下,地球上的所有物體都會被壓成碎片,甚至連原子也無法幸免。那麼宇宙中的中子星是怎麼來的呢?我們接著看。

中子星是怎麼形成的?

雖然引力是四大基本力里面最弱的一種力,但因為引力是長程力,并且沒有「反引力」這一說,所以引力就可以無限疊加,這就意味著,大量的物質堆積起來,引力就會變得非常恐怖,而中子星其實就是引力的杰作,

我們知道,恒星其實就是宇宙中的一大團物質凝聚而成,在原始恒星的形成過程中,其體積會因為自身的引力而不斷地收縮,就像是一只無形的大手在不斷地「捏」 它一樣。

當原始恒星的體積收縮到一定程度時,它核心的輕原子核就會因為高溫高壓而發生核聚變,從而釋放出大量的能量,這些能量在使恒星發光發熱的同時,也抵抗住了恒星的進一步收縮,就這樣,一顆光芒四射的恒星就誕生了。

然而恒星的「核燃料」終有用完的一天,當它們「油盡燈枯」的時候,其內部就失去了支撐,于是引力就會繼續「捏」恒星,具體「捏」到什麼程度,主要是看恒星的質量大小。

如果恒星的質量較小,那麼恒星核心物質的電子所形成的「電子簡并壓」就可以抵擋住引力,于是恒星的核心就會演化成一顆白矮星。

假如恒星的質量更大一些,其核心質量超過了「錢德拉塞卡極限」(約為太陽質量的1.44倍),那麼「電子簡并壓」就抵擋不住引力了。

在這種情況下,恒星核心物質的電子就會被引力「捏」進原子核,并與其中的質子結合形成中子,這些中子與其它原本就存在的中子緊緊地貼在一起,并形成更加強大的「中子簡并壓」,如果這能夠與恒星自身的引力抗衡,那麼恒星的核心就會演化成一顆中子星。

而如果一顆恒星的質量很大,其核心質量超過了「奧本海默極限」(注:這個值現在尚未得到確定,通常取值為太陽質量的3倍),其產生的引力連「中子簡并壓」也無法抵擋,那麼這顆恒星的核心就會被引力無限壓縮,然后就會演化成已知宇宙中最強大的天體——黑洞。

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