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60 如何把喜马拉雅山压缩到一个橘子大小?

了不起的物理 严伯钧 1186 2024-10-22 05:00

  

  太阳在结束核聚变以后,会变成一颗白矮星。白矮星的密度极高,约等于原子的密度。原子内部其实很空,大部分质量集中在原子核身上,但原子核的体积只有原子的几千亿分之一。白矮星之所以能固定住大小,是因为电子之间的简并压,阻止了引力让它继续坍缩。但如果一颗恒星质量很大,在核聚变结束并开始坍缩的过程中,它的质量超过了钱德拉塞卡极限,就不会变成白矮星了,它有可能变成一颗中子星或一颗脉冲星,甚至黑洞。

  中子星,顾名思义,就是由中子构成的星球。万物由原子构成,原子的结构是电子绕着原子核运动。原子核里有质子和中子,质子带正电,中子不带电。如果一颗恒星质量大到超过太阳质量的8倍,它在核反应结束之后开始坍缩,这时由于质量大,引力可以胜过简并压,把原子“压碎”。

  所谓把原子压碎,是电子被压到原子核里,电子的负电荷和质子的正电荷中和,变成中子。到最后,只剩下中子了,整个星球也就变成了中子星。中子星的密度是每立方厘米20亿吨,一个橘子大小的中子星物质就拥有整座喜马拉雅山的质量。由于密度极大,导致中子星的引力极强,所以中子星的光线会在自身引力场的作用下显著弯曲。同时,极强的引力,也使得中子星拥有极高的表面温度,能达到1000万摄氏度。

  脉冲星其实是高速自转的中子星。它会发出超强电磁脉冲,旋转让中子星里的电荷产生电流,电流则产生磁场。由于电磁感应,变化的磁场又会产生电磁波。由于脉冲星旋转得飞快,导致它的磁场超强,大约是人类目前能制造出来的磁场强度的1000亿倍。有人可能有疑问,中子明明不带电,为什么中子星旋转会产生电流呢?这是因为中子星内部的中子并非永远是中子形态,中子是不稳定的,会衰变成电子和质子,中子星的引力又不断把质子和电子结合为中子。因此,中子星内部处在“动态平衡”的状态,电荷还是时时存在的。

  脉冲星发出的电磁辐射能量极高,是X射线甚至γ射线的能量级别。由于脉冲星的旋转,电磁脉冲的模式会体现周期性的变化特征,人类最早发现脉冲星时还以为是外星人在发信号。

  脉冲星旋转得飞快,自转一圈只要2毫秒,表面转速能达到十分之一光速。为什么脉冲星转得飞快?因为“角动量守恒”,一个旋转的物体,如果不受外力矩的作用,则它的转速和转动惯量大小的乘积是个不变的值。可以参考花样滑冰运动员的技巧,他们有一招能越转越快:开始的时候,运动员把手脚展开,慢速旋转,但当他们把手脚都收起来之后,转速就提升了。因为转速和转动惯量大小的乘积是不变的,把手脚收起来以后,转动惯量变小了,转速就更快了。脉冲星也一样,当它们还是恒星的时候,通常体积都很大,直径可能有几百万千米,但坍缩成脉冲星以后,直径只有10千米左右。这就跟花样滑冰一样,体积变小了,转速也就快了。

  

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