中子星

中子星，又名波霎、脈衝星，是恆星演化到末期，經由重力崩潰發生超新星爆炸之後，可能成為的少數終點之一。恆星在核心的氫於核聚變反應中耗盡，完全轉變成鐵時便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質受重力牽引會急速向核心墜落，有可能導致外殼的動能轉化為熱能向外爆發產生超新星爆炸，或者根據局恆星質量的不同，整個恆星被壓縮成白矮星、中子星以至黑洞。白矮星被壓縮成中子星的過程中恆星遭受劇烈的壓縮使其組成物質中的電子併入質子轉化成中子，直徑大約只有十餘公里，但上頭一立方厘米的物質便可重達十億噸，且旋轉速度極快，而由於其磁軸和自轉軸並不重合，磁場旋轉時所產生的無線電波可能會以一明一滅的方式傳到地球，有如人眨眼，故又譯作波霎。　　中子星的密度為10的11次方千克/立方厘米，也就是每立方厘米的質量竟為一億噸之巨。中子星是除黑洞外密度最大的星體，同黑洞一樣，也是20世紀60年代最重大的發現之一。乒乓球大小的中子星相當於地球上一座山的重量。這是20世紀激動人心的重大發現，為人類探索自然開闢了新的領域，而且對現代物理學的發展產生了深遠影響，成為上世紀60年代天文學的四大發現之一。 中子星的發現

　　1967年，天文學家偶然接收到一種奇怪的電波。這種電波每隔1—2秒發射一次，就像人的脈搏跳動一樣。人們曾一度把它當成是宇宙人的呼叫，轟動一時。後來，英國科學家休伊什終於弄清了這種奇怪的電波，原來來自一種前所未知的特殊恆星，即脈衝星。這一新發現使休伊什獲得了1974年的諾貝爾獎。到目前為止，已發現的脈衝星已超過300個,它們都在銀河系內。蟹狀星雲的中心就有一顆脈衝星。　　脈衝星是本世紀60年代四大天文發現之一 (其他三個是：類星體、星際有機分子、宇宙3K微波輻射)。因為它不停地發出無線電脈衝,而且兩個脈衝之間的間隔(脈衝周期)十分穩定，準確度可以與原子鐘媲美。各種脈衝星的周期不同，長的可達4.3秒，短的只有0.3秒。　　脈衝星就是快速自轉的中子星。中子星很小，一般半徑只有10千米，質量卻和太陽差不多，質量下限是0.1個太陽的質量,上限是3.2個(據愛因斯坦的廣義相對論,可以達到這個水平).是一種密度比白矮星還高的超密度恆星。　　中子星的前身一般是一顆質量比太陽大的恆星。它在爆發坍縮過程中產生的巨大壓力，使它的物質結構發生巨大的變化。在這種情況下，不僅原子的外殼被壓破了，而且連原子核也被壓破了。原子核中的質子和中子便被擠出來，質子和電子擠到一起又結合成中子。最後，所有的中子擠在一起，形成了中子星。顯然，中子星的密度，即使是由原子核所組成的白矮星也無法和它相比。在中子星上，每立方厘米物質足足有10億噸重。　　 當恆星收縮為中子星後，自轉就會加快，能達到每秒幾圈到幾十圈。同時，收縮使中子星成為一塊極強的「磁鐵」，這塊「磁鐵」在它的某一部分向外發射出電波。當它快速自轉時，就像燈塔上的探照燈那樣，有規律地不斷向地球掃射電波。當發射電波的那部分對著地球時，我們就收到電波；當這部分隨著星體的轉動而偏轉時，我們就收不到電波。所以，我們收到的電波是間歇的。這種現象又稱為「燈塔效應」。　　中子星的質量極大，一個中子化的火柴盒大小的物質，需要96000個火車頭才能拉動！所以中子星的質量是不可忽視的。　　中子星的能量輻射是太陽的100萬倍。按照目前世界上的用電情況.它在一秒鐘內輻射的總能量若全部轉化為電能，就夠我們地球用上幾十億年。　　中子星並不是恆星的最終狀態，它還要進一步演化。由於它溫度很高，能量消耗也很快，因此，它的壽命只有幾億年。當它的能量消耗完以後，中子星將變成不發光的黑矮星。 中子星的性質　　作為一顆中子星，中子星具有許多非常獨特的性質，這些性質使我們大開眼界。因為，它們都是在地球實驗室中永遠也無法達到的，從而使我們更加深入地認識到恆星的一些本質。概括起來說，這些性質是：　　（1）無例外地都是很小的，小得出奇。它的典型直徑只有10公里，也就是說，小小中子星的「腰圍」只有30多公里，相當於一輛汽車以普通速度行駛1小時的距離。可是，就是這麼顆小個子恆星，卻有那麼多的極端的物理條件，也真是夠驚人的！　　（2）密度大得驚人。密度一般用1立方厘米有多少克來表示，水的密度是每立方厘米重1克，鐵是7.9克，汞是13.6克。如果我們從脈衝星上面取下1立方厘米物質，稱一下，它可重1億噸以上、甚至達到10億噸。假定我們地球的密度也達到這種聞所未聞的驚人程度的話，那它的平均直徑就不是12740公里，而是一二百米或更小。　　（3）溫度高得驚人。據估計，中子星的表面溫度就可以達到1000萬度，中心還要高數百萬倍，譬如說達到60億度。我們以太陽來作比較，就可以有個稍具體的概念：太陽表面溫度6000攝氏度不到，越往裡溫度越高，中心溫度約1500萬度。　　（4）壓力大得驚人。我們地球中心的壓力大約是300多萬個大氣壓，即我們平常所說的1標準大氣壓的300多萬倍。脈衝星的中心壓力據認為可以達到10000億億億個大氣壓，比地心壓力強30萬億億倍，比太陽中心強3億億倍。　　（5）特彆強的磁場。在地球上，地球磁極的磁場強度最大，但也只有0．7高斯（高斯是磁場強度的單位）。太陽黑子的磁場更是強得不得了，約1000～4000高斯。而大多數脈衝星表面極區的磁場強度就高達10000億高斯，甚至20萬億高斯。　　脈衝星都是我們銀河系內的天體，距離一般都是幾千光年，最遠的達55000光年左右。根據一些學者的估計，銀河系內中子星的總數至少應該在20萬顆以上，到80年代末，已經發現了的還不到估計數的千分之五。今後的觀測、研究任務還很艱巨。　　中子星從發現至今，只有短短二三十年的時間，儘管如此，不論在推動天體演化的研究方面，在促進物質在極端條件下的物理過程和變化規律的研究方面，它已經為科學家們提供了非常豐富而不可多得的觀測資料，作出了貢獻。同時，它也在這個新開拓的領域內，向人們提出了一連串的問題和難解的謎。 天文信息　　2007年3月20日光明網-光明日報：歐洲空間局的科學家最近宣布,他們藉助強大的「Integral」天文望遠鏡,發現了迄今轉速最快的中子星,每秒旋轉1122圈,比地球自轉快1億倍。　　最先觀測到這顆星的西班牙天文學家庫克勒說,早在1999年便已發現了這顆代號為J1739-285的中子星,但不久前才通過望遠鏡算出它的轉速。　　這顆中子星的直徑約10公里,但質量卻與太陽相近,其密度驚人,高達每立方厘米1億噸。其巨大引力從臨近恆星不斷奪取大量炙熱氣體,並不斷誘發熱核爆炸。　　天文學家正是通過這種現象發現了它。此前的中子星自轉紀錄是每秒716圈,恆星轉速一般在每秒270-715 圈。700圈曾被認為是天體旋轉極限,按目前的物理學理論,轉速超過此極限,恆星將被強大離心力摧毀或化為黑洞。但最新發現否定了這一看法。　　理論上,每秒1122轉並不是旋轉極限,大型中子星轉速有可能高達3000轉。令天文學家困惑的是,為什麼天體在高速旋轉的強大離心力下,卻依然會不斷收縮,而且不損失自身物質。　　然而，榮譽出現了歸屬爭議。1974年諾貝爾物理學獎桂冠只戴在導師休伊什的頭上，完全忽略了學生貝爾的貢獻，輿論一片嘩然。英國著名天文學家霍伊爾爵士在倫敦《泰晤士報》發表談話，他認為，貝爾應同休伊什共享諾貝爾獎，並對諾貝爾獎委員會授獎前的調查工作欠周密提出了批評，甚至認為此事件是諾貝爾獎歷史上一樁醜聞、性別歧視案。霍伊爾還認為，貝爾的發現是非常重要的，但她的導師竟把這一發現扣壓半年，從客觀上講就是一種盜竊。更有學者指出，「貝爾小姐作出的卓越發現，讓她的導師休伊什贏得了諾貝爾物理獎」。著名天文學家曼徹斯特和泰勒所著《脈衝星》一書的扉頁上寫道：「獻給喬瑟琳·貝爾，沒有她的聰明和執著，我們不能獲得脈衝星的喜悅。」　　關於脈衝星真正發現者的爭論和對諾貝爾獎委員會的質疑，已經歷了40年。40年後的今天,它再次成為關注話題。回首往事，作為導師的休伊什獲得了諾貝爾獎，無可厚非，但貝爾失去殊榮，卻令人感到惋惜。如果沒有貝爾對「干擾」信號一絲不苟的追究，他們可能錯過脈衝星的發現。若把諾貝爾獎「競賽」比作科學「奧運會」，那麼，40年前的「裁判」們顯然吹了「黑哨」，至少是誤判,這玷污了諾貝爾獎的科學公正權威性。　　最近，貝爾訪問北京期間，筆者與她談起脈衝星的發現經歷和對諾貝爾獎的看法，她說，脈衝星發現後不久，她就被迫離開了劍橋大學。沉默稍許,她直言,上世紀60年代，科學機構普遍存在忽視學生貢獻的傾向，特別是女學生。導師經常以「上級領導」自居,將學生成果竊為己有,然後想辦法把學生一腳踢開。然而,1993年，兩位美國天文學家因發現脈衝星雙星而榮獲諾貝爾獎時，諾貝爾獎委員會格外精心,邀請貝爾參加了頒獎儀式，算是一種補償吧。1968年,離開劍橋後，她和休伊什沒有再合作，直到上世紀80年代，他們才在一次國際會議上相見，並握手言和。脈衝星發現以來，除了諾貝爾獎，她榮獲了十幾項世界級科學獎，並成為科學大使。　　中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最強大的兩類頗具神秘感的天體。光是中子星就已經夠不可思議了，偏偏還要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和無底深淵，沒有物質能擺脫它的強大引力，包括光線。在它附近，今天的所有物理定律都顯得不適用了。　　我們知道，當恆星走完其漫長的一生後，小質量和中等質量的恆星將成為一顆白矮星，大質量和超大質量的恆星則會導致一次超新星爆發。超新星爆發後恆星如何演變將取決於剩下星核的質量。印度天體物理學家昌德拉塞卡於上世紀三十年代末發現，當留下的星核質量達到太陽的一點四倍時，其引力將大到足以把星核內的原子壓縮到使電子和質子結合成中子的程度。此時這顆星核就成了一顆中子星，其密度相當於把一個半太陽的質量塞進直徑約二十四公里的一個核內。　　這是一個單個的中子星，其表面溫度高達一百二十多萬度，直徑只有二十八公里。(HST)　　以兩百倍音速高速運動著的中子星，距地球約兩百光年。三十萬年後將對地球產生輕微影響。(HST)　　在星系中漂浮的單個恆星級黑洞，它引起的引力透鏡現象使位於其後方的恆星產生了兩個像。(HST)　　位於NGC6251中心發出強烈紫外線輻射的塵埃盤，其內部可能存在一個巨型黑洞。(HST)　　橢圓星系NGC7052中心的塵埃盤，其中央可能有一個質量為太陽三億倍的超級黑洞。(HST)　　人馬座A(NGC5128)星系中心的塵埃盤，其中有一個巨大的超級黑洞。(HST) 中子星的特徵　　中子星的表面溫度約為一百十萬度，輻射χ射線、γ射線和和可見光。中子星有極強的磁場，它使中子星沿著磁極方向發射束狀無線電波（射電波）。中子星自轉非常快，能達到每秒幾百轉。中子星的磁極與兩極通常不吻合，所以如果中子星的磁極恰好朝向地球，那麼隨著自轉，中子星發出的射電波束就會像一座旋轉的燈塔那樣一次次掃過地球，形成射電脈衝。人們又稱這樣的天體為「脈衝星」。　　 　超新星爆發後，如果星核的質量超過了太陽質量的兩至三倍，那它將繼續坍縮，最後成為一個體積無限小而密度無窮大的奇點，從人們的視線中消失。圍繞著這個奇點的是一個「無法返回」的區域，這個區域的邊界稱為「視野」或「事件地平」，區域的半徑叫做「史瓦西半徑」。任何進入這個區域的物質，包括光線，都無法擺脫這個奇點的巨大引力而逃逸，它們就像掉進了一個無底深淵，永遠不可能返回。　　天文學家稱這種由於恆星死亡形成的天體為恆星級黑洞。一般認為，宇宙中的大多數黑洞是由恆星坍縮形成的。此外，在許多恆星系的中心也有一個因引力坍縮而形成的超大質量黑洞，比如在類星體星系的中心。在宇宙誕生初期可能曾經形成過很多微型黑洞（太初黑洞），這些黑洞的體積很小，質量相當於一座大山。　　雖然黑洞本身不可見，但可以用至少兩種方法檢測出它的存在。當一個黑洞吸引塵埃、氣體或恆星時，它的強大引力會把這些物質撕碎成原子微粒，原子微粒會從黑洞的邊緣沿螺旋線墜向中心，速度會越來越快，直至達到每秒九百多公里。當物體被黑洞吞沒時，會因為互相碰撞而使溫度上升到幾百萬度，並發出χ射線和γ射線。在宇宙中，只有黑洞能使物體在密集的軌道上加速到如此高的速度；也只有黑洞才會以這種方式發射χ射線和γ射線。　　任何物質或輻射到達黑洞邊緣，越過它的視界就永遠消失了。在黑洞的奇點附近，現有的任何物理定律都是不適用的。黑洞的奇點和我們現已認識的宇宙中的所有物質狀態截然不同。到目前為止，還沒有任何科學方法能用來測量黑洞。現在我們說找到了一個黑洞都是通過間接途徑推算出來的。
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