中子星的密度高達100萬億噸/立方米,為何會存在如此致密的星球?

中子星是宇宙中的一種極為致密的星球,即使是按照最保守的估算,中子星的密度也可以高達100萬億噸/立方米,不得不說,這樣的密度是令人難以想象的,那中子星為何會存在這麼高的密度呢?我們不妨先來看看原子有多空曠。

以氫原子為例,氫原子是宇宙中最簡單的原子,只擁有一個電子,其原子核其實就是一個質子,一個處于基態的氫原子的半徑約為0.528 x 10^(-10)米,而質子的半徑大概是0.84 x 10^(-15)米,至于電子的半徑我們目前還沒有確定的值,但可以確定的是,電子半徑的數量級不會大于10^(-18)米。

也就是說,氫原子的總半徑大概是其原子核的62857倍,如果將氫原子的原子核半徑放大到一個足球那麼大,那麼在同比例放大后,那麼氫原子的半徑就有大約7公里,而電子則是一粒半徑差不多只有0.1毫米的塵埃。

是的,原子的內部就是如此的空曠。對地球上的物質而言,原子并不是緊緊地挨在一起的,比如說固體物質中的平均原子間距通常都在10^(-9)米與10^(-10)之間,液體物質和氣體物質中的平均原子間距則比固體物質還要大,假如我們壓縮掉地球物質所有的原子間距以及原子內部的空間,那麼地球的半徑將縮小到大約11米,而這種狀態下的地球密度,其實就是中子星的密度。

所以我們可以簡單地理解為,中子星之所以有這麼高的密度,其實是因為組成中子星的物質處于一種高度壓縮的狀態,那麼宇宙中為何會存在如此致密的星球呢?答案就是引力坍縮。

由于引力是長程力,并且只有「吸引力」而沒有「排斥力」,因此引力就可以無限疊加,對于宇宙中的各種星球而言,它們所產生的引力不但會「吸引」附近的物質,還會讓自身發生引力坍縮。

一顆星球想要穩定地存在,其內部就必須要有抵擋引力坍縮的機制,從理論上來講,「太陽質量的8%」是一個臨界值,如果星球的質量低于這個臨界值,那麼它僅憑物質之間的電磁力就可以抵擋住引力坍縮,如果星球的質量大于或等于這個臨界值,那電磁力就抵擋不住了。

事實上,宇宙中所有恒星的質量都大于或等于太陽質量的8%,它們憑借其核心的核聚變反應來抵擋自身的坍縮,然而恒星的「核燃料」畢竟是有限的,在「核燃料」消耗殆盡之后,恒星就會不可避免地繼續坍縮。

對于質量較小的恒星來講,它們的核心可以憑借電子之間的「簡并壓力」來抵擋引力坍縮,并最終演化成一顆白矮星。

(注:「簡并壓力」可以簡單地理解為:一些微觀粒子不允許其他的同類粒子占據自己的空間,并因此而產生相互排斥的力)

但如果恒星的質量足夠大,電子之間的「簡并壓力」也就抵擋不住引力坍縮了,在這種情況下,恒星的核心就會繼續坍縮,在巨大的壓力下,電子會被壓進原子核里,并與其中的質子結合成中子,這些中子與原子核中原來的中子會緊緊地挨在一起,產生「中子簡并壓」。

通常來講,當恒星演化到這一步時,就會發生威力驚人的超新星爆發,在此之后,如果其殘留的核心能夠憑借「中子簡并壓」抵擋引力坍縮,就會演化成一種極為致密的星球,在這樣的星球上,所有的微觀粒子都緊緊地挨在一起,其密度至少都可以高達100萬億噸/立方米,由于構成這種星球的絕大部分微觀粒子都是中子,因此人們就將其稱為中子星。

可能有人會問了,在恒星發生超新星爆發之后,如果其殘留核心的質量非常大,以至于「中子簡并壓力」也無法抵擋住引力坍塌,又會發生什麼呢?

這樣的情況其實是存在的,根據現代物理學,中子是由夸克組成的,而夸克之間也是存在「簡并壓力」的,所以一個合理的推測就是,如果「中子簡并壓」也無法抵擋住引力坍塌,那麼中子就會被「壓碎」,隨后「夸克簡并壓」則會擔負起「抵擋引力坍塌」的重任。

如果「夸克簡并壓」能夠抵擋得住引力坍塌,那麼恒星的殘留核心就會演化成一種比中子星更致密的星球,我們可以將其稱為夸克星。

如果抵擋不住,那麼在現代物理學框架中就再也找不到可以抵擋引力坍塌的力量了,在這種情況下,恒星的殘留核心就會因為無法被阻止的引力坍塌而成為一個體積無限小,密度無限大的「奇點」,而這個「奇點」則會將附近的時空彎曲到極致,形成一個完全封閉的時空,從而演化成宇宙中最令人生畏的存在——黑洞。

值得一提的是,由于科學家目前并沒有確定宇宙中是否有夸克星存在,因此通常我們還是認為,中子星是宇宙中致密程度僅次于黑洞的天體。

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