乒乓球般大小，重如珠穆朗玛峰！什么东西这么神奇？
来源:中科院半导体所发布时间:2023-05-082830浏览
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来源：知识就是力量
作者：初鹏程
撰文：初鹏程（青岛理工大学）你知道吗？我们日常生活中的重金属物质，例如金、银，很有可能是来自外太空中超新星爆发的产物，而超新星爆发后形成的遗迹通常就是致密星。现在就让我们走进致密星中的中子星，去探索它的奥秘吧！
恒星中的“二力平衡”
由牛顿的万有引力定律可知，凡是具有质量的物质都会产生引力，引力的大小与质量成正比，即质量越大产生的引力也越大。引力的特点是以物质的质心为中心来计算的，所以恒星虽然拥有巨大的体积，但它的引力还是以质心为原点的。星体内部的物质所受的引力指向星体核心，需要星体物质自身产生较高的压强，净压强沿着星体半径的方向朝外才能抵消引力，最终通过受力平衡来形成稳定的星体。
一般来说，星体物质的压强越大，温度也越高，所以恒星内部核心处会有非常高的温度，足以达到产生核反应的条件，持续释放能量来抵消引力引起的内缩。其实不只是恒星，任何天体或者是具有质量的物质，都会产生同样的现象。
致密星——恒星的生命尽头白矮星、中子星、黑洞是恒星演化的3种结局，它们都属于致密星。
而恒星演化为何种致密星主要取决于它自身的质量。一般来说，质量在1～8倍太阳质量的小质量恒星，最终会演化成白矮星，例如太阳。而大质量的恒星可能演化成中子星，更大质量的恒星则可能坍缩成黑洞。
中子星的诞生在质量为太阳质量10倍以上恒星的演化末期，如果其核心核反应太过剧烈，快速耗尽能量，恒星会被强大的引力压缩，星体物质的相互作用间距被进一步减小，并在非常短的时间内产生剧烈的爆炸，这就是“超新星爆发”。
在爆炸中，原子的核外电子被“压”进原子核，原子核中的质子会与之结合，形成中子。因此，超新星爆发后的星体中的中子积累增多，在构成星体的粒子中，中子的比例也是最高的，中子星就形成了。中子星质量大、密度高、引力强。在当前物理学前沿领域中，中子星方向的研究始终有一席之地。追溯其历史起源，1932年，苏联物理学家朗道在英国物理学家查德威克发现中子后不久，即提出有可能会存在完全由中子构成的星体，中子星的概念自此而生；1967年，科学家发现了第一颗射电脉冲星，人们很快意识到它应该是理论上推测已久的中子星，由此揭开了大规模研究中子星的序幕。很长一段时间内，中子星被大家视为致密星体的代表。密度高——远胜“金箍棒”中子星的质量一般为1～2倍的太阳质量，半径非常小，10千米上下，由此可见其致密程度。在《西游记》中，孙悟空的“如意金箍棒”重13500斤，能变成绣花针塞到耳朵里。倘若以中子星的物质做出一根绣花针，质量就会变成原来的10万倍，估计强如孙大圣也不敢将它放进耳朵里了。如果从中子星中“抠出”乒乓球大小的一团物质，其重量可以与珠穆朗玛峰相提并论。
读者们可以考虑下，密度这么大的中子星，内部除了中子还有没有别的构成粒子呢？答案是有的，中子星内部中子为其主要成分，质子和电子也有一定的比例，甚至还会包含一些超子（含有奇异夸克的一类粒子）和μ子（一种轻子，电子也是轻子）。而对于中子星的内部物质状态及整体结构，科学家们尚未完全探明，人们猜测可能是聚合得更紧密的中子、质子、超子，还可能是由夸克物质构成的“夸克核心”！致密星中的强磁场在致密星体中，还存在着强大的磁场，星体表面磁场可以达到1011高斯以上，内部磁场可能会更强，而地球内部磁场只有0.5～0.6高斯，可见致密星体内部磁场极强。如此巨大的磁场，甚至会改变致密星体内部物质的分布，使得致密星体物质的压强分布不再是球对称，而是根据磁场分布产生变化。
此时的致密星，我们就可以统称为磁星了。磁星内部磁场的分布也是致密星体领域的一个重要问题，目前提出的分析思路很多，但是并没有准确的实验方法去验证。
我们可以将磁星内部磁场投影分解成两种情况：第一种情况是磁场在磁星内部沿着磁星半径方向发出，从另一极绕回，像是地球的磁场；另一种情况是磁星内部磁场在星体内部垂直于径向的平面中随机闭合分布，但这种磁场分布情况科学家尚未完全探明。而且磁星质量与半径会随着磁星内部磁场强度与方向分布而发生显著变化，因此磁场是影响致密星性质的一个重要方面。
在广袤的宇宙中，无数的天体自转、公转、相互吸引，大量的宇宙射线起源、传播、纵横交错，人们在物理与天文上的相关研究延绵几千年，获得了丰富的实验与理论成果，不断拓阔我们对于宇宙的认知。
本文综合整理自《知识就是力量》杂志，原标题《中子星“游记”》，作者初鹏程，有删改，原创作品转载请注明来源。
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编辑：薛定谔的薛定谔
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