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驱动之家 08-18

中子星:宇宙中的“小精灵” 体型超小 但能力超大

【千新星】

中子星——超级重/超级致密极端的天体。引力超大、磁场超强,温度超高,非常可怕,它们可以摧毁行星,甚至可以摧毁恒星。

虽然它们的质量超大,但他们的体积却非常非常的小。长期以来它们一直被黑洞枪了风头,所以一直不为科学家所重视。

然而现在,中子已经被推到了非常高的地位,走在了现代天体物理学的前沿。

距离地球1.3亿光年,有一个"ngc-4993"的星系,两颗死星正陷入快速的死亡螺旋。这就像聆听来自宇宙的声响,碰撞的声音会在时空的结构上留下深深的印记。

路易斯安那州利文斯顿雷射干涉仪探测器天文台,简称"LiGO",它的任务就是探测宇宙产生的引力波。

雷射干涉仪探测器天文台(LiGO)

引力波是因为时空扭曲而造成的。通常都是由非常厉害的重力事件造成的,比如超新星爆炸,或者黑洞碰撞,以及大质量恒星等。

2015年因为"LiGO"探测到了引力波而创造了历史,从而验证了100多年前爱因斯坦的预言。

这个引力波是黑洞撞击的标志,这就好比是我们听到了车祸的声音。尽管没有亲眼看见,我们却明白这个声音是车祸的声音,它非常独特。我们甚至可以电脑精确地模拟计算出相撞的哪种类型的车子。

2017年,"LiGO"接收到了另一种不同的信号。2017年8月发生的事件可谓非同寻常。

探测到了信号,但信号很奇怪,这是一个持久的信号,超过100秒。

不到两秒钟后,一架伽马射线望远镜探测到从天空的同一部分发出的伽马射线闪光。

在那里,不仅只有引力波,也不仅只有伽马射线,还有可见光,红外光及紫外线。

这是科学家们第一次看到这两个信号同时出现——即引力波和一般光线。

所以这是天文学的一个开创性的时刻。科学家们意识到这不是另一次黑洞碰撞,而是全然不同的事件。

当你看到宇宙中的爆炸时,这种机会并没有太多。宇宙间可以爆炸的天体没有几种。但信号的长度就是确凿的证据。

如果是两个黑洞的碰撞,那么速度会很快,但这次碰撞时间更长、更慢,这是两个中子星的死亡螺旋。它们沿着螺旋,越来越近,越来越快,最后,它们碰撞在一起。

当它们最终接触时,向周围的系统释放出巨大的能量。碰撞抛出了巨大的物质云,这可能会使光的速度略微减慢。

光波和引力波传播了1.3亿年,几乎同时到达地球。这是天文学家第一次看到了中子星的碰撞,他们称之为"千新星"。

中子星的合并

这个壮观的宇宙事件,不仅仅是释放能量。这次中子星碰撞的余波,产生了大量的碎片,炸向太空深处。

这可能最终为我们提供了一个证据,关于一些非常特殊的重元素是在哪里产生的。通过中子星的毁灭,为生命体提供了基本成分的种子,我们呼吸氧分子——O2。

水是由氢和氧组成,我们的身体大部分是由碳化合物组成的,包括氮,磷等。

人类历史上的一个重大科学问题就是:"这些元素的起源是什么?"

事实证明,在许多重元素的产生中,中子星都扮演着关键的角色。地球上的大部分元素都是由恒星构成的,但最重的元素是如何形成的,一直是科学史上最久的问题之一。

很长一段时间以来,我们所知制造这些较重的原子一直存在一个问题——比如金和铂,一直到铀到底是如何产生的。

由于宇宙中能量最大的东西就是超新星爆炸。所以,科学家们一直认为它们必须以某种方式在超新星中产生。

但是当科学家们进行计算机模拟时,虚拟的超新星并没有锻造出这些巨大的原子。

2016年,天文学家埃多·伯杰解释了这一谜题的潜在答案:形成重元素需要大量的中子,因此,另一种可能的理论是最重的元素是在双星系统中,由两颗中子星合并时产生的。

但在当时,还没有人真正看到过中子星的碰撞。所以也就很难让天文届相信这是一个生产重元素的潜在渠道。

证明就是看到这个过程在宇宙中发生了。2017年的千新星提供了完美的机会。它会生成数千小时的数据,科学家们注意到一个规律——千新星残骸的颜色发生了微妙的变化。

在太空中,当看到一个非常明亮的事件时,它会发出一定量的光,而且它会发出特定波长的光——即我们所认为的颜色。

在烟火表演中,烟花有不同的颜色,表示烟花中使用了不同的化学物质。同样的,科学家可以通过爆炸中的颜色来发现千新星中的元素。

当千新星变红时,他们意识到这是新创造的重元素开始吸收蓝光的结果。

随着爆炸改变了颜色,然后膨胀和冷却——科学家们可以估量出产生了什么元素。碎片发出的光从蓝色和紫色转变为红色和红外线。颜色的变化为某些重金属的存在提供了确切的证据。

新千星光谱的变化

这个中子星碰撞,即千新星,产生的亮度和颜色光谱与预测产生金和白金的模型是完全一致的。

这个模型被称为"r过程",是"快中子俘获"的简称。这是一个有点复杂的术语,用来描述如何产生比铁重的原子。

首先需要一个非常富含中子的环境,而中子星碰撞就是一个富含中子的环境。如果模型是正确的——这次千新星的碰撞产生了地球质量的几十倍的黄金。

2017年的千新星不仅揭示了关键元素的起源,它还揭示了中子星的内部——宇宙中最强的物质产生的磁场是地球磁场的万亿倍。

这一巨大的千新星爆炸也为科学家们提供了一个独特的视角来了解宇宙中最神秘的物体之一。

在这之前,想知道中子星是什么样子,这真的是挑战了科学家们的想象力,也挑战了理论物理学。科学家们需要用计算机模型,用数学来估算这可能是什么样的。

而现在,科学家们不需要依靠他们的想象力,他们可以利用来自千新星的硬数据来研究中子星运行的机制。

现在,科学家们第一次对中子星的质量和直径有了准确的估计。科学家们终于可以开始拼凑出中子星是如何工作的了。

他们计算出它的直径只有20公里。确定这个物理特征是非常重要的, 因为如果知道半径有多大,然后根据这个半径和知道的质量,就可以得到密度。知道了总体密度,就能开始弄清楚中子星内部的分层是什么样的。

对于物理学家来说,中子星内部是宇宙中最吸引人的地方之一。要知道中子星内部的条件和地球上的条件是非常非常不一样的。中子星上的物质,是密度大到连原子核都无法凝聚在一起的物质。

就好比是把太阳还重的东西压缩成比城市还小的东西。它的密度非常大,如果把一块中子星的物质放在地面上它会穿过地球。高密度意味着高引力——是地球引力的2000亿倍!

如果你站在中子星,你会立刻被压扁,然后在那个平面上展开。

除了强引力之外,还有强大的磁场、令人生畏的x射线辐射,还有比闪电强3000万倍的电场,以及高能粒子暴风雪。

对于太空旅行者来说,这里可不是个好地方。如果你发现自己在中子星附近,那将是个坏消息。

首先,你会被强大的磁场给撕裂。然后,x射线辐射会把你炸成碎片,当它把你拉得更近的时候,它强烈的引力会把你的原子和分子拉伸成一条细长的流。你的速度会越来越快,最后,你会撞到中子星表面,溅得到处都是。

这个过程释放的能量,相当于一枚核弹。

在宇宙的尺度上,中子星可能很小,但它们带来冲击肯定却是巨大的。这些被压抑的能量的秘密在于它们的表面之下发生了什么。

【中子星虚拟之旅】

有了新的千新星数据,科学家们现在可以进行一场虚拟之旅。

首先,我们穿过中子星的大气层,它不会像地球的大气层那样高达1000公里以上,而只有十几个厘米。和我们周围的空气相比,它的密度非常大。

在压缩的大气下面是一层电离铁的外壳,一种晶体铁核和自由流动的铁电子的混合物。

由于引力非常大,以至于它几乎是完美的光滑。表面上最高的山脉将不到四分之一英寸高。

中子星表面想象图

四分之一英寸的山脉可能听起来很奇怪。但当我们深入到表面之下,事情会变得更加奇怪,因为这里是宇宙中最强物质的家园。

科学家们把它比作核面,当我们深入到中子星的星壳下时,中子本身开始粘合在一起,形成奇异的形状。

首先,它们会形成一团一团的东西,看起来像意大利团子,然后,更深一点,意大利面条会自己粘在一起,形成一长串看起来像意大利细面条的东西。

"意大利团子"

"意大利面"

再往深处,意大利面会融合在一起,形成千层面。

最后,千层面融合在一起,成为一个均匀的物体。但上面有洞,看起来像通心粉。

"通心粉"

这是核意大利面,在超过100万华氏度的温度下,慢慢煨制面成。

极端的引力会弯曲、挤压和拉伸并扣住中子,从而产生一种比铁密度大10万亿倍的物质。

但这段旅程会变得更加极端,越往深处,则更加神秘,更加难以理解。

中子星的核心——它离这些科学家们称之为"核意大利面"的层很远——它可能是最奇异的物质形式。

这个奇特的物质,它可能是在完全引力坍缩成黑洞之前的最后的堡垒。

来自美国宇航局钱德拉天文台的数据表明,它的核心是由一种超级流体组成的——一种奇异的无摩擦状态物质。

中子星核心的超级流体

实验室生产的类似超流体,表现出奇怪的特性。比如向上流动和逃离密闭容器的能力。

虽然科学家们对这颗星球的内部结构了解还很模糊,但对于它耀眼的诞生却并不神秘。

大质量恒星在爆炸中死亡然后产生中子星——一个曼哈顿大小,但质量是太阳的两倍的密度非常大的天体。一茶匙的物质就重达十亿吨。

中子星在母星死亡的过程中迸发出生命的火花,它们是关于复活的终极故事,或者说涅盘重生的终极故事。

【中子星形成过程】

恒星诞生于巨大的极冷气体云中,这些云在自身重力作用下坍塌。坍塌中心的核心密度开始增加。恒星是一个巨大的核聚变反应堆,它的引力是如此强大以至于它将原子聚合在一起,形成越来越重的元素。

恒星将氢聚变成氦,一旦它耗尽了它的氢,如果它的质量足够大,它就可以在它的核心开始用氦进行聚变。如此聚变持续下去,形成碳,氧,氮等,一直到铁。

看过笔者以往的科普文的读者,一定知道,铁就是大质量恒星的"毒药"。一旦一颗恒星的核心有了铁,铁就会熄灭恒星核心的核反应,就不会再产生能量。

突然之间,没有任何能量可以支撑引力的挤压。没有辐射压力向外推,意味着没有压力阻止外部区域下沉,这就是形成超新星前的状态。

随着恒星在垂死挣扎中坍缩,它的核心变成了整个宇宙中最狂野最疯狂、最怪异的高压锅。

如果我们把原子核放大到一个棒球大小,那么在一个普通的原子里,最近的电子可能在一百多米远的地方。

在导致中子星形成的极端条件下,这些电子可以被推到离原子核更近的地方。如果温度和压强足够高,它们甚至可以撞击原子核,并进入原子核,它们还可以撞击质子。

当它们这样做的时候,它们会转化成更多的中子。所以,在这些物体的形成过程中,质子和电子消失了,剩下的几乎是完全纯的中子。

没有任何东西能阻止它们挤在一起。一旦用中子填满整个原子核,就会产生难以置信的高密度。随着电子的海洋被原子核吸收,恒星中的物质现在可以压得更紧,这就像把三亿吨的物质挤进一块方糖里。

随着恒星的坍缩,大量的气体向核心坠落,核心的体积很小,但质量却很大,数十亿吨的气体从星球身上弹回,然后爆发成宇宙中最大的烟花表演——超新星。

它非常巨大,非常明亮,也非常壮观。超新星是宇宙中发生的最剧烈的事件之一。

一颗恒星死亡时爆发出的光亮,能比整个星系都亮。在这场大灾难中产生了一个新的,非常奇怪的宇宙天体——中子星。

它是整个宇宙中最真实、最迷人最令人难以置信的怪物之一。

人类已经见证超新星几千年了,但科学家们现在才刚刚开始了解中子星的诞生。

虽然超新星又大又亮,但中子星很小,许多甚至不发光。

那么,宇宙中有多少颗中子星呢?科学家们现在所知的银河系中大约有2000颗中子星。

但可能还有很多很多,科学家们估计仅在银河系中就有几千万颗,在整个宇宙中肯定有几十亿。

中子星虽然很小,但有些中子星会暴露自己,发射能穿过宇宙的光束——精确无误差的,宇宙灯塔的脉冲频闪。

【中子星的发现】

以前科学家们一直没有探测到过中子星,但50年前一次幸运的发现,科学家们才知道它们的存在。

那天,剑桥大学穆拉德无线电天文台研究生乔斯林贝尔,操作新的射电望远镜扫描着天空,做各种各样很酷的天文学研究。

然后在数据中看到了"一些无用的东西"。这个数据是一个短暂但不断重复的辐射爆发,来自地球1000光年之外。

它非常稳定和有规律,以至于贝尔确信她的望远镜有问题。她回到那个地方再次发现一个重复的、有规律的信号——天空中有一个点不停地向我们闪烁。似乎在说着"嗨 嗨 嗨"。

在这之前,科学家们所知的宇宙中没有任何东西,有如此稳定,完美的时间间隔和脉冲。它看起来如此完美,似乎是人造的。但事实证明,这不是人造的,而是一个东西。

她的发现被称为"脉冲星"。脉冲星是一种快速旋转的中子星。

脉冲星

中子星的理论在20世纪30年代就提出了。当时人们认为中子星太微弱,无法探测到。

中子星被假设存在,但却没有被认真对待。这种东西听起来似乎是科幻小说。

在天文学上从来没有人见过这种现象,有些人甚至猜测这是外星人的信号。贝尔甚至称它们为"LGM物体"——即"小绿人"。后来"小绿人"这个称呼一度成为"外星人"的代名词。

贝尔后来发现了第二个信号,于是小绿人又回到了小说里,脉冲星变成了科学事实。

脉冲星的发现出乎意料,所以,这是一个惊人的突破。

脉冲星会发脉冲是因为它们生来就会旋转,它们在超新星爆发时,随着母星的坍缩而爆发。

任何正在经历压缩事件的物体,如果它有任何初始角动量,它最终就会旋转。

当恒星缩小时,它旋转得越来越快。它们之所以旋转得这样快,是因为一颗与地球大小相当的大质量恒星的内核坍缩成了一座城市大小。所以,由于物体的尺寸变得非常小,自旋的速度必定大大增加。

这个过程就好比是花样滑冰运动员在冰上旋转。当运动员把手臂收拢时,旋转速度就会加快。中子星的快速旋转同样是这样的原因。

中子星的自转速度非常非常快,它们的表面也移动得非常快。在某些情况下,它的运动速度大约是光速的20%!

当它们旋转时,会产生闪烁的能量束,这束光就像灯塔的光束。你会看到这些每秒多次的周期性闪烁,它们是脉冲星的名片。

它们是由中子星内部的元素混乱所产生的。虽然这颗星球主要是一个中子球,但它的星壳上散布着质子和电子。每秒旋转数百次,就会产生了令人难以置信的磁场。

有了这个强磁场,就可以产生强电场,电场和磁场可以相互作用,最终变成辐射。

这些中子星会发射喷射流——辐射束,从他们旋转的轴喷射而出。

如果它们的旋转轴不对齐,如果它们的轴有点倾斜,这个光束就会在宇宙中形成圆圈。

如果我们在这些圆圈的路径上,我们会看到一道闪光……一道闪光。

就像你在一艘船上,在雾蒙蒙的夜晚观察一个遥远的灯塔一样。

所以我们可以看到穿越广阔的空间的脉冲星,因为它们是非常强大的光束。

但有时,脉冲星会得到额外的推力,从而使自旋更加快速。让它转得更快的方法是,向它倾倒更多的物质。

这叫做"增生",这样会使它旋转得比原来更快。就像恒星吸血鬼一样,脉冲星随时会从任何离得太近的物体中吸走物质。

引力把物质带进来,这意味着它的任何旋转都会被加速,它会转得越来越快。一些毫秒脉冲星以每秒700转的速度旋转。它们是终极"厨房搅拌机"——它们会剁,会切,甚至会把物质"炸成丝"。

那么,是什么阻止中子星将自己撕裂呢?

中子星是难以置信的奇异天体,巨大的力量将它们结合在一起。因此,即使在如此惊人的高速旋转下,它们也能保持刚性。它们有难以置信的强大引力,这就是为什么即使它们旋转得非常快它们也能牢牢地保持在一起。

旋转的速度是很难想象的!在地球上,一天是24小时,在中子星上,它的长度是700分之一秒。

超速的脉冲星并不是科学家们关注的唯一一种奇怪的中子星。

【磁星】

还有一种中子星,它拥有宇宙中最强的磁场。

这个磁性怪物被称为"磁星"。监测脉冲中子星的天文学家发现了一个非常奇怪的现象,在极少数情况下,它们会突然加速。

这是非常惊人的,一个非常致密的物体,突然它旋转得更快了!它发生在一瞬间,它们会突然改变频率。这需要非常巨大的能量才能做到。

那是什么能量呢?

这种速度的突然变化被称为"自转突快"。造成这些自转突快的一个主要原因是核心物质附着在星壳上,这影响了它旋转的方式。

星壳下过量的物质会使它裂开并造成自转突快。这一过程释放出大量的辐射。即x射线爆,导致中子星的表面重新排列,并使其旋转速度发生变化。

但还有另一种可能的解释:星震也可能引起自转突快。

有时星壳会破裂,任何能改变脉冲星几何形状的东西,都能改变它的旋转速率。

那么,是什么力量能强大到足以引发这些星震呢?

对于中子星来说,如果有一种力量能做到,那就是磁力。

恒星内部的极端磁场会扭曲到足以撕裂星壳。因此,星球表面可以自我重组并不断重塑中子星表面的微小重构。大约几毫米就会释放出巨大的能量。中子星巨大的引力,几乎在瞬间就会使其表面变得平滑,就好像故障从没发生过一样。

对于中子星来说,磁场的混乱是无止境的。

宇宙中"最强磁场"比赛的卫冕冠军就是磁星。

在超新星爆发期间形成的中子星中,有十分之一会变成磁星。

关于磁星,正如它们的名字所暗示的那样——它们有着非常强大的磁场。

即使是习惯使用大数字的人,比如说,天文学家,仍然对这些东西充满敬畏。

磁星的磁场比地球强1000万亿倍。

这么大的磁力,会严重扰乱任何接近它的东西。任何我们熟悉的正常物体如果它接近磁星,它就会被撕碎。任何运动的带电粒子,都会从原子中分离出来。

不过,科学家们认为磁星只能是短暂的。它们的磁场是如此强大,以至于它应该在非常短的时间尺度上衰减。

只有几万年的量级,似乎正是它们的力量导致了它们的衰败。

磁星的磁场非常强,它会吸收周围的物质,并使其加速。然而,强磁场就像是个累赘,拖慢了它的速度。

所以,随着时间的推移,中子星的自转变慢,磁场也逐渐消失。在它们的生命中,磁星的运作方式与脉冲星非常不同。它们没有光束,它们的磁场会发出巨大的高强度辐射。

但最近,天文学家发现了一颗难以归类的中子星。它的行为就像是个双重人格。

这颗中子星是个很奇怪的例子,它既像一颗射电脉冲星,又像一颗强磁化的磁星。它有极强的磁场,有磁场爆发,但它也有强烈的辐射,从它的两极喷射出来。

2000年首次被发现时,这颗星球正在发射无线电波,典型的脉冲星的行为。16年后,它停止了脉冲,突然开始发射大量的x射线——这明显是磁星的活动。

科学家们感到困惑,不知道这是脉冲星转变成磁星,还是磁星转变成脉冲星。

有一种理论认为,这些x射线爆发的发生,是因为恒星的磁场突然扭曲。由于压力太大,星球裂开了,从破裂的星壳中释放出x射线。

中子星是我们所知的宇宙中,密度最大的物体之一。然而,科学家们已经看到了一些东西让它移动和分裂。这颗中子星在磁场的作用下正在撕裂自己。

如果是这样的话,平静的中子星就会变成狂暴的磁星。

当你思考一个人的生命周期时,随着年龄的增长,我们似乎会放慢脚步,变得更冷静一些。然而,这个中子星则相反,它可以比刚形成时旋转得更快。

磁场可以随着时间的推移变得更强,这是一种逆老化过程。

【中子星未来可期】

但这些奇怪的变化极其罕见,大多数脉冲星都像钟表一样有规律。所以我们可以直接将手表设置为他们脉冲的计时。

正是这种稳定性,我们可以在未来的宇宙探索中使用它。

如果你是一艘星际飞船的船长,你需要的是一个星系GPS系统。事实证明,中子星可能就是答案。

天文学家经常把旋转中子星的稳定脉冲比作"脉冲星",即宇宙灯塔。

这些闪光不仅非常可靠,而且每颗脉冲星都有自己独特的脉冲光束。每一个都有稍微不同的频率,每一个都有一个稍微不同的速率。

银河系中的任何人,无论你在哪里,都能对这些脉冲星的位置达成一致。

脉冲星的独特特征,为未来的太空旅行开辟了有趣的可能性。

我们可以用脉冲星来进行三角定位我们的位置。因为这些脉冲非常精确,我们可以像使用GPS卫星那样使用它们。

利用脉冲星作为导航工具,并不是一个新想法。早在1970年代就被美国国家航空局(简称NASA)所使用了。

在旅行者号航天器表面,有一张金唱片。在那张唱片的唱片上,印刷的是一个脉冲星地图。原则上可以告诉一个先进的外星文明如何找到地球。

因为它使用地球的位置是相对于已知的14颗脉冲星。作为一种有效的三角测量方法,我们的行星的位置就是相对于所有这些脉冲星的位置。

旅行者号上的金唱片

外星人还没有和我们取得联系,但NASA已经在使用脉冲星图了。

NASA最近发射了一颗卫星,名为"更好的六分仪"。放置于国际空间站上,用来测试这类理论。

他们利用脉冲星来确定一个以每小时17000英里的速度,绕地球运行的物体的位置。他们能够将其定位在3英里以内。

这是非常难以置信的,未来的太空任务可以在宇宙中导航,中子星将带领我们踏上不可思议的旅程。

在未来,如果你身处地球的几百光年之外,中子星可以告诉我们,我们在银河系的位置。

中子星,它们曾经被视为天文学上的怪物而被忽视,而现在已经有了很大的发展。关于中子星,真正令人兴奋的是,科学家们现在才刚刚开始研究它们,但已经学到了很多。当然,中子星还有很多要研究的。

从不起眼的中子中产生出最强大的能量,最迅速的旋转、最强的磁场。这让笔者想起了"凤凰涅槃",中子星就如凤凰一般,从自己的灰烬中重生。

随着大质量恒星的死亡,故事并没有结束,更美丽更迷人的东西出现了。所以中子星是宇宙中最迷人的物理物质天体。

另外,关于旅行者号上的金唱片,有些读者可能会担心外星人找到这个金唱片并以此找到我们地球,并会最终会引发一系列的星际战争。

笔者认为,无需担心此事。因为,如果外星人的确存在,与其在茫茫宇宙中找到这个非常非常不起眼的,非常难于发现的小小航天器,还不如直接找到发光发亮的太阳,并进而找到我们的地球来得更简单些。

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