惊呆了

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比钢铁硬100亿倍,宇宙中“最硬”的物质!来自中子星的“硬菜

访客

科学家如果想要开脑洞,那他们的想象力可比一般人大得多。在核物理和天文学中,科学家就把一种天体当作了一种菜肴,这是什么天体呢?


致密星中最恐怖的两个存在——黑洞和中子星

这便是中子星,一颗致密又极为强大的天体。它几乎已经脱离了恒星的范畴,只有“天选之星”才能成为中子星。科学家认为,它可能是宇宙中最硬的物质。

那么中子星是如何形成的呢?为什么中子星上会有这样的“菜肴”?科学家是如何解释这种情况的呢?这道“硬菜”有什么特别的地方吗?本文将从中子星和中子星意面构想这两个方面进行解答,接下来一起看看这道比钢铁还要硬上100亿倍的中子星硬菜,它是如何成为宇宙中最硬物质的?


中子星构想图

中子星变意面

中子星在太阳系中并不算多,因为从时间上来讲,一颗恒星从出生到死亡至少要经历近百亿年的时间。中子星作为恒星的另一个终点站而言,它并不像黑洞或者白矮星那样,是完全对立的两个极端。不过要是再努力一些,中子星就能变成黑洞了。

成为中子星后,这里的引力、电磁力会变得异常诡异,而且巨大。残余的简并物质会构成中子星的主要部分,这些都是恒星之前“燃烧”剩下的余料。最终在引力作用下,所有的基本粒子被揉作一团,形成宇宙中最像球体的致密物质。


1967年,剑桥大学女研究生发现脉冲星(中子星的一种)

为什么这么说呢?因为中子星上的环境过于特殊,所有的一切都被压缩在内部。如果上面有山一样的形状,那么中子星上最高的山峰不会超过2毫米,这使得中子星的表面十分“光滑”。


中子星的电磁力构想图

通常来讲,如果恒星质量在10~29个太阳质量之间完成寿命终结,那么它们便会成为中子星。而它们的内部则令人感到不可思议,要知道它们之前可是比太阳还要大上数十倍的恒星。中子星会把所有的一切压缩进直径只有数十公里内的“球体”中。

由于过分强大的引力,就连科学家也搞不明白,中子星的内部有什么,又是什么情况。目前学术界的观点认为,中子星具有不同结构的中子扭曲物质。为了完成中子星的基本研究,也许是为了方便命名和记录,科学家以意大利面来命名其中的结构。


中子星两极发出的强电磁辐射束就像宇宙的灯塔闪烁

也许他们只是意面爱好者,总之名字就是来的,下面来看看中子星的意面结构吧。

“硬核”的中子星意面

首先是中子星的表面,简并物质在这里被包裹住,地表附近像“团子”一样的结构,它们是圆形的气泡状中子。进入中子星后,强大的压力会强迫中子进入一种被称之为意大利面的长管中。再继续前进,这里的变化就显得十分诡异了,所有物质被压缩成像千层面一般的中子片。


不同形态的中子星意面

中子星意面组合就这么来了,尽管这看上去相当奇葩,但这是科学家根据现有的观察和理论做出的合理预设和建模。由于现在的观测手段并不能直接观察到中子星的内部,为了完成较为具体的分析工作,科学家只有依赖计算机来完成剩余的工作。

一般的计算机可模拟不了中子星这么强大的天体,如果用单个GPU进行模拟计算,至少得花费250年的时间。这份模拟工作的成果主要来自于麦吉尔大学、加州理工大学和印第安纳大学的共同合作。计算机模型显示,中子星内部密度比地球上的钢铁还要硬100亿倍。


使劲挤压下,最终形成极高密度的物质,类似巨大的原子核

研究人员马特·卡普兰认为,中子星巨大的重力使得它们的外层“冻结”成了固体,看起来和地球非常相似,外部薄薄的外壳包裹着一个液体核心。


计算机模拟的中子星固体外壳,压力把原子核压缩成了晶格

也许这种的说法还不能很直观地解释中子星的内部压力和重力有多大。根据美国NASA的说法,这种天体就好比把太阳质量两倍的恒星塞进一个只有20公里宽的球体中。仅是擓一勺方糖大小的中子星,它的质量也能和珠穆朗玛峰的重量相当。

卡普兰作为中子星意面的主要研究人员不仅模拟了中子星的内部结构,还利用计算机模型对预设模型进行拉伸和挤压,以此了解中子星意面是如何断裂的。这么做还有一个重要的目的——它能够帮助科学家们计算中子星意面的强度。


中子星内部结构的猜想图

这种意面只存在于中子星,其他任何天体都不会有存在。这时可能有吃货想发问了,如果真的想要尝一口中子星意面会如何呢?

根据卡普兰博士的介绍,如果真的能够以某种神奇的方式将中子星意面传到你的手中,毫无疑问这会让人当场毙命。由于脱离了中子星的压力束缚,活跃的中子星意面会像核弹一样爆炸,这也是为什么它会被称作“核意面”。


脉冲星的示意图——球体代表中子星,曲线表示磁场线

很明显,这种物质太过于特殊,可是科学家为何对它们如此着迷呢?

意面揭示宇宙起源?

事实上科学家研究中子星还有另外一层目的,那就是探索宇宙的本质和起源。这看起来又回到了一个老生常谈的问题上,宇宙是怎么来的?


恒星的演化过程

在最新的中子星碰撞观测中,科学家们得到了一个非常惊人的结果。大质量的中子星核心十分致密,原子核在这里失去了自己的形态,它被凝聚成了夸克物质。这对天体物理学来讲非常重要,在这之前,夸克核是中子星内核的主要物质只存在于理论中,如今科学家终于有机会观察到它们。

这在过去是令人难以想象的,天文学家假设,在足够高的热量和密度下,中子会进一步被分解成夸克,然后形成夸克汤。夸克作为基本的亚原子粒子,经过结合形成了复合粒子,也就是质子和中子,而这些便是构建原子的底层物质。


围绕中子星的铁原子气体呈现的模糊环线出现了扭曲现象

另一方面,中子星的活动还会伴随引力波的出现,这对中子星的内部观察起着关键作用。在2017年,天文学家观察到了GW170817的碰撞。这两颗中子星的变化随着引力变形可以揭示它们的内部结构信息,多个发现表明,这些中子星的核心不完全是夸克物质。


夸克物质是什么?

对于研究宇宙的天文学家而言,中子星夸克的发现关系着宇宙的诞生。因为在现有的理论中,宇宙在大爆炸之前是由夸克胶子等离子体构成的热汤强子。因此,我们可以看出中子星有可能是回溯这一切的关键。


夸克不会被禁闭在某一个特定的强子或者某一个小区域

除了现有的观测手段外,夸克在粒子对撞机实验中也能形成极其短暂的一瞬间。很明显现有的粒子对撞机不能完成有效的观测,如果科学家在未来能够描述出夸克物质在中子星的形成条件,则有助于人们更好地了解宇宙。


粒子对撞机

随着引力波能够更加频繁地被观测到,中子星的谜团也在一步步揭开,相信未来不久,科学家会找到一种新的方式来描绘我们生活的宇宙。

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