中子星密度大質量大，一立方厘米重量上億噸，是什麼概念？

2020-01-06 14:00:31 佚名

暖色調111

中子星的確密度很大，中子星可以說是宇宙中可怕程度僅次於黑洞的天體，其表面的引力場異常強大，和黑洞有得一拼，換句話來說，中子星就是一顆失敗的黑洞。

中子星和黑洞同樣是恆星生命末期可能到達的終點之一，中子星是恆星演化到生命末期經由重力崩潰發生超新星爆炸之後，可能形成的少數終點之一，質量沒有達到可以形成黑洞的恆星在其生命末期會形成一種密度介於黑洞和白矮星之間的天體，這個天體就是中子星。

中子星表面的物質密度很大，簡單來說，典型的中子星密度在上億噸每立方厘米，也就是相當於水密度的100萬億倍！白矮星幾十噸每立方厘米的密度跟中子星比起來，似乎有點微不足道了。事實上，如果把地球的密度壓縮成和中子星一樣的話，那麼地球的直徑將只會有22米，而像太陽這麼大的天體，壓縮之後的半徑也不過只有10公里。

根據科學家的估計，質量在太陽8倍到20倍的老年恆星，生命末期它會形成一顆中子星，而質量不足8倍太陽質量的恆星，則會變成一顆白矮星。白矮星和中子星的物質存在狀態是完全不同的，簡單來說，白矮星的物質還是以原子的狀態存在，只不過原子之間的距離已經被壓縮得不能再小了，不過中子星就可以說完全是一顆巨大的中子組成的星球了，因為在中子星中，電子被壓縮到了原子核之內，和質子結合形成了中子，整個中子星就是一個電中性的星體。

中子星的密度這麼大，引力場也是足夠強大的，逃逸速度為100000公里每秒到150000公里每秒左右，也就是相當於光速的三分之一到二分之一，這也就意味著，當一個物體的速度不能達到光速的三分之一的時候，它就不能脫離中子星的引力束縛，當然了，如果有一個物體掉到了中子星上面，那根本沒時間想怎麼逃的問題，因為中子星強大的引力場可以直接將它撕碎。

鏡像科普

答：中子星的密度，基本就是原子核的密度，每立方厘米高達10億噸，中子星是宇宙中的極端天體，屬於恆星演化的產物之一。

一個氫原子的直徑，大約是10^-10米數量級，氫原子核的直徑大約是10^-15米數量級，說明在原子內部，還存在很大的空間；受量子力學的限制，原子核內部的空間很難被壓縮，但是一些極端情況下例外。

宇宙中有四種基本作用力，強力、弱力、電磁力和引力；強力和弱力的作用範圍很小，電磁力存在引力和排斥力，能相互抵消，唯有引力可以無限疊加，而且引力的作用範圍無限遠。

大質量恆星在演化末期，核聚變反應減弱導致自身引力佔據主導作用，使得恆星在自身引力作用下塌縮，從而形成超新星，並留下一個核心部分，如果核心部分的質量在1.44~3倍太陽質量之間，就有可能形成中子星。

我們知道原子核由質子和中子組成，質子帶電，中子不帶電，在恆星塌縮時，自身物質無法抵抗強大的引力，使原子的核外電子落入原子核當中，與質子中和形成中子，於是一顆全部由中子組成的天體形成了。

在中子星內，由中子簡併壓力和萬有引力相抗衡，中子星就如一個巨大的原子核，密度與原子核的密度相當，高達每立方厘米1~20億噸，相當於把地球壓縮成直徑22米的球體，是非常不可思議的密度。

早在公元1054年，我國宋代天官就記錄了一次超新星爆發，並持續觀測了好幾個月，亮度極大時白天都肉眼可見；這顆超新星最終形成了著名的蟹狀星雲，距離地球6500光年，蟹狀星雲的中心，就是一顆高速旋轉的中子星，每秒自轉大約30圈。

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浩瀚的宇宙中，密度最大的是黑洞，其次是中子星。中子星的密度約為8×10¹⁰kg～2×10¹²/cm³，也就是每cm³的重量約有上萬～上億噸，這就是一個指甲蓋大小的體積。而地球的重量也就60萬億億噸。

中子星又稱脈衝星，因為它的磁場軸線和自轉軸線不重合，在旋轉時會產生的電磁輻射會忽明忽暗，輻射大多數會傳到地球，被射電望遠鏡接收到。它的自轉速度非常快，幾秒就轉一圈。

中子星是白矮星進一步坍縮而來，它的構成全部都是中子，但體積卻很小，直徑只有十幾千米上下（6500萬年前撞上地球的那顆小行星也有約10千米）。而就是這樣一個小小星球，它的質量卻有1.4～2.5倍太陽之重。

根據廣義相對論，質量越大，引起的時空曲率越大。這樣大質量的中子星也會在周圍產生時空漣漪的引力波。2017年10月，美國的引力波探測器LIGO首次接收到中子星合併的引力波，驗證了相對論的正確性。中國的射電望遠鏡天眼FAST也找到了44顆中子星。

由於中子星具有強大又穩定的射電輻射信號，科學家們將它預設為未來星際旅行時的導航燈。

如果中子星的質量>3倍太陽質量時（奧本海默·沃爾柯夫極限），它就會繼續塌縮，當達到史瓦西半徑時，它就是個黑洞了。

弄潮科學

要了解為什麼中子星會質量巨大，我們就得先從原子結構說起。

原子結構

其實有很多人對原子結構都有誤會，這是因為上學的時候，老師為了方便教學，會用一些模型，這些模型的比例實際上都有問題。比如說下面這張：

原子核和電子的個頭實際上是偏大了，而且大得不是一般得多。那真實的情況應該是什麼樣子呢？這個問題，其實連帶著原子模型長什麼樣子，經歷了好幾代科學家才搞清楚。不過，下面最後一張圖，還是偏大了。

實際上，原子核的大小事盧瑟福搞清楚的，他用α粒子轟擊金箔，他發現大部分的粒子會傳過去，只有極其少量得會發生偏折。

由此，我們可計算出原子核大致的大小，如果說原子是一個足球場那麼大的，那原子核實際上也就只有一種螞蟻那麼大，電子的大小目前來說我們沒完全搞清楚，它可能只是個點狀物而已，要比原子核還要小，是以概率雲的形式在原子核外圍分佈。

從這裡，我們可以得出這樣的結論，那就是原子其實是很空曠的，99%以上都是“空”的。

電子和質子為什麼不會反應成為一箇中子？

在研究原子核模型的時代，科學家就一直在思考一個問題，那就是原子核是帶正電，而電子是帶負電，為什麼電子不會掉落到原子核內，然後質子和電子反應稱為一箇中子？

如果這樣會實現的話，那原子就會縮小到原來1%的尺度都不到，畢竟原子太空曠了，都是電子雲在佔地方。

我們要想知道的是，質子和中子，其實都是夸克構成的。

而組成中子的夸克質量之後要比組成質子的夸克的質量之和略大一點，這就導致中子的質量要比質子的質量大一點。根據愛因斯坦的狹義相對論中的質能等價，質量和能量其實是一樣東西的兩個面，所以多少質量就對應多少能量。因此，中子所蘊含的能量要大於質子，不僅如此，實際上中子的能量是要大於質子+電子+中微子的。根據能量最低原理，萬物都是從高能量狀態到低能量狀態。所以，中子有一點概率自發地衰變成一個質子、一個電子、一箇中微子。這其實就是β衰變。

而質子、電子要反應生成中子，由於是要從低能量狀態到高能量狀態，就需要輸入能量，否則根本做不到。

電子簡併壓力

不過，形成中子星的過程中，如果引力巨大無比，這時候就會把原子們使勁壓縮，說白了，引力就在提供這樣的能量，想要使得電子進入原子核內。

不過，這時候還有一種量子效應叫做電子簡併壓力，它是因為泡利不相容原理產生的力。這種簡併壓力可以和引力相互抵抗，讓電子不至於進入原子核。

不過，如果這時候的恆星質量超過1.44太陽質量（小於奧本海默極限），那電子簡併壓力也不足以抵抗住引力，電子就會被壓到原子核內部。也就是說，剛才說到原子之內99%的空間由於電子被壓進原子核，而失去這部分空間。原子核和原子核會被擠在一起，說白了就是一堆中子擠到一起。

所以，中子星的密度會異常的大，這裡要再強調一下，並不是說中子之間完全沒有縫隙，實際上還是有的，並且中子星表面還會有些許電子，中子星的半徑一般在10至20公里之間，質量越大，半徑就會收縮得越小（這其實是引力在迫使中子之間的縫隙變小）。中子星的密度一般上維持在8*13 g/cm^3到2*10^15 g/cm^3，這樣的密度其實是和原子核密度差不多數量級的。所以，一立方厘米噸其實也就不足為奇了，說白了中子星就是一個沒有原子之間的空間和原子內的空間的星體，而物質大部分的質量其實是來自於原子核的，損失空間的同時，質量還保住了，才會導致密度如此巨大。

所以，最後我們來總結一下，構成物質的原子和原子之間其實是有間隙的，而原子內部也很空曠，99%基本上都是空的。而中子星說白了就是把核外電子壓到了原子核內，使得一群中子排排列的天體，就減少了大部分空間的同時，質量又不會變（原子的質量主要集中在原子核上），因此中子星的密度極其大，數量級大概和原子核差不多。

鍾銘聊科學

恆星演化到生命後期一般會變成三種緻密星體：白矮星、中子星、黑洞。它們的密度是逐漸增大的，太陽大約在50億年以後將變成一顆白矮星。當恆星在太陽質量8~20倍之間的時候恆星最終將變成中子星，中子星的密度就是原子核的密度，每立方厘米8×10的13次方克至2×10的15次方克，也就是每立方厘米可以達到8000萬噸至20億噸。

恆星質量都非常大有著向內核處塌陷的作用力，在此條件下內核處產生了高溫高壓的環境，從而氕在此條件下發生核聚變以太陽為例每秒鐘消耗6億噸氫核聚變成5.95億噸氦，損失的500萬噸質量變成了光與熱釋放出去。這樣恆星就維持了一個動態平衡，但演化到最後氫氣耗沒無法抵抗自身的引力塌陷作用。在這個作用下原子核外層的電子都被壓進了原子核與質子結合變成了中子，最終形成的緻密星所有的物質幾乎就是原子核內的中子了，因此被稱為中子星。

圖：相互纏繞的中子星產生我們可以觀測到的引力波

其實還有一種假設中的緻密星-夸克星，這種星是在中子星的前提下繼續擠壓中子集合到一起，最終都變成了夸克。密度最高的一種是黑洞了，科學家已經難以描述黑洞內的情況了，因為所有的質量集中在奇點處，這種物質又是體積無限小無限緻密的。

因為中子星保持了原恆星大部分的角動量，但是半徑卻縮小很多。所以一般中子星都有非常高的自轉速度，例如毫秒脈衝星每秒鐘可以旋轉上百次。它們繼續就像是宇宙中的燈塔一般，人類未來進行星際航行可以使用多顆脈衝星進行星際定位。

科學黑洞

這個問題，量子菌來問答。中子星就是由中子組成的天體，它的半徑不大，在10千米左右，但質量卻達到了太陽的1.4到3倍。簡單計算，中子星的密度就是像題目裡談到的，可以達到10來億噸/立方厘米。

中子星的形成

中子星之所以這麼大的密度，因為它本來就是大質量的恆星演化而來的，我們太陽系的太陽是沒有資格成為中子星的。對於大質量的恆星，當最後核燃料消耗完畢，而殘留的質量還大於太陽質量的1.4倍時，也就是所謂的錢德拉塞卡極限質量。

中子星的密度

此時，該天體的引力已經大到電子的簡併壓力都無法對抗，本來處於原子核外的電子也被壓入核內，電子質子就形成中子，原子以及原子核都坍塌了，這個星球上只剩下中子，所以稱為中子星。中子星半徑10千米左右，質量在太陽質量的1.4到3倍，密度大約為8000萬到20億噸每立方厘米。

中子星的研究意義

當然中子星，還不是宇宙中最緻密的天體，黑洞才是，黑洞體積更是小到一個奇點。對於中子星來講，最常見的就是旋轉的脈衝星，沿著磁軸會發出輻射，就像燈塔掃描照明一樣，有著穩定的脈衝週期，可以作為宇宙中的燈塔來標定星際旅行的位置，確定時間。

談到中子星的研究，就不得不提我國的天眼

這個位於貴州山區的當世最大口徑的射電望遠鏡，就是設計用來發現中子星。500米的口徑的大鍋，不是用來煮鯤用的，更不是尋找什麼外星人來用的。貴州天眼投入使用以來，已經發現了幾十顆中子星，成果斐然。