中子星（除黑洞外密度最大的星体）
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更新时间：2023-05-16
中子星
除黑洞外密度最大的星体
基本简介
中子星简介
非常靠近地球的中子
白矮星被压缩成中子星的过程中恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子，直径大约只有十余公里，但上头一立方厘米的物质便可重达十亿吨，且旋转速度极快，而由于其磁轴和自转轴并不重合，磁场旋转时所产生的无线电波可能会以一明一灭的方式传到地球，有如人眨眼，故又译作波霎。
中子星的密度为10的11次方千克/立方厘米，也就是每立方厘米的质量竟为一亿吨之巨。中子星是除黑洞外密度最大的星体，是20世纪60年代最重大的发现之一。
中子星起源
中子星的密度为每立方厘米8^14~10^15克，相当于每立方厘米重1亿吨以上。此密度也就是原子核的密度，是水的密度的一百万亿倍。对比起白矮星的几十吨/立方厘米，后者似乎又不值一提了。如果把地球压缩成这样，地球的直径将只有22米!事实上，中子星的密度是如此之大，半径十公里的中子星的质量就与太阳的质量相当了。
同白矮星一样，中子星是处于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星，其质量更大罢了。根据科学家的计算，当老年恒星的质量为太阳质量的约8~2、30倍时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于8个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。但是，中子星与白矮星的区别，不只是生成它们的恒星质量不同。它们的物质存在状态是完全不同的。
简单地说，白矮星的密度虽然大，但还在正常物质结构能达到的最大密度范围内：电子还是电子，原子核还是原子核，原子结构完整。而在中子星里，压力是如此之大，白矮星中的电子简并压再也承受不起了：电子被压缩到原子核中，同质子中和为中子，使原子变得仅由中子组成，中子简并压支撑住了中子星，阻止它进一步压缩。而整个中子星就是由这样的原子核紧挨在一起形成的。可以这样说，中子星就是一个巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的质量非常大以至于巨大的引力让光线都是呈抛物线挣脱。
在形成的过程中，中子星同白矮星是非常类似的。当恒星外壳向外膨胀时，它的核受反作用力而收缩。核在巨大的压力和由此产生的高温下发生一系列复杂的物理变化，最后形成一颗中子星内核。而整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了结自己的生命。这就是天文学中著名的“超新星爆发”。
中子星，是恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽，当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。
磁场旋转时所产生的无线电波等各种辐射可能会以一明一灭的方式传到地球，有如人眨眼，故又称作脉冲星。
一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35到2.1倍，半径则在10至20公里之间（质量越大半径收缩得越大），也就是太阳半径的30,000至70,000分之一。因此，中子星的密度在每立方厘米克至克间，此密度大约是原子核的密度。致密恒星的质量低于1.44倍太阳质量，则可能是白矮星，但质量大于钱德拉塞卡极限（1.5-3.0倍太阳质量）的中子星会继续发生引力坍缩，则无可避免的将产生黑洞。
历史的发现
中子星-内部结构模型图
1934年，美国威尔逊山天文台工作的沃尔特·巴德和弗里茨·兹威基发表文章称，中子简并压力能够支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星，预言了中子星的存在。为寻找超新星爆炸的解释，他们提议中子星是超新星爆炸后的产物。超新星是突然出现在天空中的垂死恒星，在出现后的几天或整个星期内，在可见光的亮度上可以超越整个星系。巴德和茨威基正确的解释产生中子星时释放出的重力束缚能能量供给了超新星的能量：“在超新星形成的过程中大量的质量被湮灭”。如果在中心的大质量恒星在他崩溃之前的质量是太阳质量的3倍，那么在中心可能形成一颗2倍太阳质量的中子星。被释放出来的束缚能（E=mc2）相当于一个太阳的质量全数转化成能量，这足以作为超新星最后的能量来源。
1967年，剑桥大学卡文迪许实验室的乔丝琳·贝尔和安东尼·休伊什发现了有规律的无线电脉冲，随后被推断来自于旋转中的中子星，而且极大数量的中子星都属于此类。
1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。
1971年，里卡尔多·贾科尼等人发现半人马座的X射线源半人马座X-3具有4.8秒的周期，他们解释这是一颗炙热的中子星环绕者另一颗恒星的结果，能量来源是持续不断掉落至中子星表面的气体释放出的引力势能。这是第一颗证认的X射线双星。
在1974年，安东尼·休伊什因为在脉冲星的发现上所扮演的角色而获得诺贝尔物理学奖，但是共同的发现者SamuelOkoye和乔丝琳·贝尔并未一同获奖。
2007年天文学家借助欧洲航空局(ESA)的珈马射线天文望远镜(Integral)，发现了迄今旋转速度最快的中子星。这颗中子星编号为XTEJ1739-285，每秒钟可沿自己的轴线旋转1122圈。按照地球的概念转一圈一天的话，在这个中子星上一秒钟可以经过3年多。这个发现推翻了原来认为的每秒700圈的星体转速极限。
这颗中子星的直径约10公里,但质量却与太阳相近,其密度惊人,高达每立方厘米1亿吨。其巨大的引力从临近的恒星上不断夺取大量炙热气体,并不断诱发热核爆炸。
这颗名为PSRJ1614-223的中子星的大小与一个小城市差不多，相对而言并不算是一个大的星球，但其密度却是惊人的高，它上面很少量一点物质的质量就高达5亿吨！
中子星的前身
演化状态
中子星的性质
作为一颗中子星，中子星具有许多非常独特的性质，这些性质使我们大开眼界。因为，它们都是在地球实验室中永远也无法达到的，从而使我们更加深入地认识到恒星的一些本质。概括起来说，这些性质是：
大小
一个典型中子星的半径只有10千米左右。中子星外部是一个固态的铁的外壳，大约厚1千米，密度在10^11~10^14克/立方厘米之间；内部几乎完全是中子组成的流体，密度为10^14~10^15克/立方厘米。
密度
密度很大。密度一般用1立方厘米有多少克来表示，水的密度是每立方厘米重1克，铁是7.9克，汞是13.6克。如果我们从脉冲星上面取下1立方厘米物质，称一下，它可重1亿吨以上、甚至达到10亿吨。假定我们地球的密度也达到这种闻所未闻的惊人程度的话，那它的平均半径就不是6371公里，而只有22米！
温度
中子星形成的初期，它的冷却是经过所谓的乌卡（URCA)过程，内部的温度降到1亿K时，乌卡过程就停止了，其它的中微子过程继续主导冷却。1000年后冷却由光辐射主导。此后大约1万年的时间里，表面温度一直维持在K左右。
磁场
特别强的磁场。在地球上，地球磁极的磁场强度最大，但也只有0．7Gs（高斯是磁场强度的单位,1Gs=T）。太阳黑子的磁场更是强得不得了，约1000～4000Gs。而大多数脉冲星表面极区的磁场强度就高达10000亿Gs，甚至20万亿Gs。
脉冲星都是我们银河系内的天体，距离一般都是几千光年，最远的达55000光年左右。根据一些学者的估计，银河系内中子星的总数至少应该在20万颗以上，到80年代末，已经发现了的还不到估计数的千分之五。今后的观测、研究任务还很艰巨。
中子星从发现至今，只有短短二三十年的时间，尽管如此，不论在推动天体演化的研究方面，在促进物质在极端条件下的物理过程和变化规律的研究方面，它已经为科学家们提供了非常丰富而不可多得的观测资料，作出了贡献。同时，它也在这个新开拓的领域内，向人们提出了一连串的问题和难解的谜。
能量辐射
中子星的能量辐射是太阳的100万倍。按照世界上的用电情况。它在一秒钟内辐射的总能量若全部转化为电能，就够我们地球用上几十亿年。
结构
研究价值
引力波研究
北京时间2017年10月16日22点，美国国家科学基金会召开新闻发布会，宣布激光干涉引力波天文台（LIGO）和室女座引力波天文台（Virgo）于2017年8月17日首次发现双中子星并合引力波事件，国际引力波电磁对应体观测联盟发现了该引力波事件的电磁对应体。
重金属元素的来源
长期以来普遍认为普通的元素如氧和碳，是在将近死亡的恒星爆炸变成新星时生成的，但是研究学者们感到困惑的是，数据显示这些恒星爆炸不能产生像在地球上这样大量存在的重金属元素。来自英国莱瑟斯特大学和瑞士巴塞尔大学的这些科学家们相信，答案存在于稀有的中子星对上。
中子星是生成新型的大恒星的超高密度的内核，它们所包含的物质有我们的太阳那么多，但只有大约一座城市那么大。有时会发现两颗中子星互相绕对方沿轨道旋转，这是双星系的遗留物，在我们的银河系中已知有4对。科学家们使用了在英国伦敦以北100英里的莱瑟斯特天体物理流体设备的超级计算机做模拟，如果使它们慢慢旋转着靠近发生爆炸，这样巨大的引力会造成什么结果。
进行一次这样的计算要耗费超级计算机几个星期的时间，而这只是在两个星球的一生中最后几个毫秒中发生的事情。结果显示，当中子星靠近时，巨大的力量将它们劈开，释放出足够的能量，可以将整个宇宙照亮几个毫秒。这个碰撞更可能是产生一个黑洞——空间中吞没光的裂口——并在发生核反应时喷射出灰，把质子射入轻元素的原子核而生成重元素。喷发出的物质和恒星间的气体和灰尘相混合、碰撞，构成了新的一代星体，慢慢使重金属散布在银河系中。
在宇宙中出现这种罕见的现象的几率大约是一百亿年以上，这和我们在已有五十亿年寿命的太阳系中对元素光谱所做的分析结果相符，为这种理论提供了有力的证据。令人惊奇的是所做的模型产生出的元素的数量和宇宙非常非常接近，它部分回答了我们的世界从何而来这个问题。
中子星性质
中国科学院近代物理研究所原子核质量测量团队与合作者基于兰州重离子加速器冷却储存环，利用国际首创的新型质谱术，精确测量了一批关键原子核的质量，研究了中子星表面的X射线暴，从新的角度约束了中子星的性质。相关结果于北京5月1日发表在《自然—物理》(Nature Physics) 上。
天文信息
天文望远镜发现了迄今转速最快的中子星，每秒旋转1122圈，比地球自转快1亿倍。最先观测到这颗星的西班牙天文学家库克勒说，早在1999年便已发现了这颗代号为J1739-285的中子星，但不久前才通过望远镜算出它的转速。这颗中子星的直径约10千米。
天文学家正是通过这种现象发现了它。此前的中子星自转纪录是每秒716圈，恒星转速一般在每秒270-715圈。700圈曾被认为是天体旋转极限，按当今的物理学理论，转速超过此极限，恒星将被强大向心力摧毁或化为黑洞。但最新发现否定了这一看法。理论上，每秒1122转并不是旋转极限，大型中子星转速有可能高达3000转。令天文学家困惑的是，为什么天体在高速旋转的强大离心力下，却依旧会不断收缩，而且不损失自身物质。
发现脉冲星
1967年10月，剑桥大学卡文迪许实验室的安东尼·休伊什教授的研究生——24岁的乔丝琳·贝尔检测射电望远镜收到的信号时无意中发现了一些有规律的脉冲信号，它们的周期十分稳定，为1.337秒。起初她以为这是外星人“小绿人（LGM）”发来的信号，但在接下来不到半年的时间里，又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号。后来人们确认这是一类新的天体，并把它命名为脉冲星(Pulsar，又称波霎)。脉冲星与类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子一道，并称为20世纪60年代天文学“四大发现”。
然而，荣誉出现了归属争议。1974年诺贝尔物理学奖桂冠只戴在导师休伊什的头上，完全忽略了学生贝尔的贡献，舆论一片哗然。英国著名天文学家霍伊尔爵士在伦敦《泰晤士报》发表谈话，他认为，贝尔应同休伊什共享诺贝尔奖，并对诺贝尔奖委员会授奖前的调查工作欠周密提出了批评，甚至认为此事件是诺贝尔奖历史上一桩丑闻、性别歧视案。霍伊尔还认为，贝尔的发现是非常重要的，但她的导师竟把这一发现扣压半年，从客观上讲就是一种盗窃。更有学者指出，“贝尔小姐作出的卓越发现，让她的导师休伊什赢得了诺贝尔物理奖”。著名天文学家曼彻斯特和泰勒所著《脉冲星》一书的扉页上写道：“献给乔瑟琳·贝尔，没有她的聪明和执著，我们不能获得脉冲星的喜悦。”关于脉冲星真正发现者的争论和对诺贝尔奖委员会的质疑，已经历了40年。40年后的今天，它再次成为关注话题。回首往事，作为导师的休伊什获得了诺贝尔奖，无可厚非，但贝尔失去殊荣，却令人感到惋惜。如果没有贝尔对“干扰”信号一丝不苟的追究，他们可能错过脉冲星的发现。若把诺贝尔奖“竞赛”比作科学“奥运会”，那么，40年前的“裁判”们显然吹了“黑哨”，至少是误判，这玷污了诺贝尔奖的科学公正权威性。
贝尔访问北京期间，笔者与她谈起脉冲星的发现经历和对诺贝尔奖的看法。1993年，两位美国天文学家因发现脉冲星双星而荣获诺贝尔奖时，诺贝尔奖委员会格外精心，邀请贝尔参加了颁奖仪式，算是一种补偿吧。1968年，离开剑桥后，她和休伊什没有再合作，直到上世纪80年代，他们才在一次国际会议上相见，并握手言和。脉冲星发现以来，除了诺贝尔奖，她荣获了十几项世界级科学奖，并成为科学大使。
与脉冲星区别
所有的脉冲星都是高速自转的中子星，也就是说脉冲星是中子星的一种，但中子星不全是脉冲星，我们要收到脉冲信号才算。中子星具有强磁场，运动的带电粒子发出同步辐射，形成与中子星一起转动的射电波束。由于中子星的自转轴和磁轴一般并不重合，每当射电波束扫过地球时，就接收到一个脉冲。这时这颗中子星也叫脉冲星。脉冲星是本世纪60年代四大天文发现之一(其他三个是：类星体、星际有机分子、宇宙3K微波辐射)。因为它不停地发出无线电脉冲，而且两个脉冲之间的间隔(脉冲周期)十分稳定，准确度可以与原子钟媲美。各种脉冲星的周期不同，长的可达4.3秒，短的只有0.3秒，甚至毫秒级。
中子星一边自转一边发射像电子束一样的电脉冲。该电脉冲像灯塔发出的光一样，以一定的时间隔掠过地球。当它正好掠过地球时，我们就可以测定它的有关数值。
脉冲星是高速自转的中子星，但并不是所有的中子星都是脉冲星。因为当中子星的辐射束不扫过地球时，我们就接收不到脉冲信号，此时中子星就不表现为脉冲星了。
中子星和黑洞
中子星和黑洞是宇宙中密度和引力最强大的两类颇具神秘感的天体。光是中子星就已经够不可思议了，偏偏还要添上黑洞。它是宇宙中的死亡陷阱和无底深渊，没有物质能摆脱它的强大引力，包括光线。在它附近，今天的所有物理定律都显得不适用了。
恒星末期
我们知道，当恒星走完其漫长的一生后，小质量和中等质量的恒星将成为一颗白矮星，大质量和超大质量的恒星则会导致一次超新星爆发。超新星爆发后恒星如何演变将取决于剩下星核的质量。印度天体物理学家昌德拉塞卡于上世纪三十年代末发现，当留下的星核质量达到太阳的一点四倍时，其引力将大到足以把星核内的原子压缩到使电子和质子结合成中子的程度。此时这颗星核就成了一颗中子星，其密度相当于把一个半太阳的质量塞进直径约二十四公里的一个核内。
人马座A(NGC5128)星系中心的尘埃盘，其中有一个巨大的超级黑洞。(HST)
中子星面积
中子星的面积为约30---300平方千米，地球5.1亿平方千米，地球面积是中子星的约170-1700万倍。
中子星形成
中子星的前身一般是一颗质量比太阳大的恒星。每立方厘米物质足足有10亿吨重。当恒星收缩为中子星后，自转就会加快，能达到每秒几圈到几十圈。同时，收缩使中子星成为一块极强的“磁铁”，这块“磁铁”在它的某一部分向外发射出电波。当它快速自转时，就像灯塔上的探照灯那样，有规律地不断向地球扫射电波。
可测的中子星
X-射线爆发
中子星与低质量恒星共同组成的联星，在质量吸积的过程中会造成中子星表面不规则的能量爆发。
史瓦西半径
超新星爆发后，如果星核的质量超过了太阳质量的两至三倍，那它将继续坍缩，最后成为一个体积无限小而密度无穷大的奇点，从人们的视线中消失。围绕着这个奇点的是一个“无法返回”的区域，这个区域的边界称为“视野”或“事件地平”，区域的半径叫做“史瓦西半径”。任何进入这个区域的物质，包括光线，都无法摆脱这个奇点的巨大引力而逃逸，它们就像掉进了一个无底深渊，永远不可能返回。
与黑洞相遇
在两者相距200~300亿公里时，中子星表层物质发生不稳定，磁场有明显的异常波动。当两者相距达到100亿公里时，中子星的外物质便会飞逸而出，并在黑洞周边高速环绕，之后中子星便向黑洞“奇点”做螺旋形下坠运动。当到50亿公里时，黑洞和中子星的磁场剧烈碰撞，并放出大量电子和光，之后中子星的能量便会慢慢消耗，而后被黑洞吞没，其时间依据中子星的体积而论，但一般不会超过6个小时。
中子星结构
中子星外壳
中子星特征
中子星质量
中子星半径
中子星半径的典型值约为10公里。
中子星密度
中子星磁场
中子星另一个重要特征是存在强度极高的磁场，超过10的12次方高斯，它使表层的铁聚合成长长的铁原子链：每个原子都被压缩并沿磁场被拉长，而且首尾相接，形成从表面向外伸出的“须状物”。在表面以下，由于压力太高，单个原子不能存在。它使中子星沿着磁极方向发射束状无线电波（射电波）。中子星自转非常快，能达到每秒几百转。中子星的磁极与两极通常不吻合，所以如果中子星的磁极恰好朝向地球，那么随着自转，中子星发出的射电波束就会象一座旋转的灯塔那样一次次扫过地球，形成射电脉冲。人们又称这样的天体为“脉冲星”。1967年发现了脉冲星，首次证明了中子星的存在。
爆发时的变化
中子星
在重力的吸引下，中子星上面会形成一个10至100米厚的堆积层。堆积层主要由氦构成，在温度及压力的作用下，这些堆积层会发生核聚变。当氦聚变为碳或其它重物质时，会释放出大量能量及强烈的X射线。在中子星上这种爆发通常每天都会发生几次，每次会持续几秒。但此次观测到的是4U1820－30的一次超级爆发，它释放出比正常爆发多几千倍的能量。科学家认为在氦聚变时会积累下以碳为主的核灰尘，而超级爆发是由核灰尘引起的，炭灰尘积累几年后才会引起聚变。
中子星超级爆发时，就像闪光灯在表面闪亮，照到它的吸积盘的内部地区。中子星爆发发出的X射线照射到吸积盘中的铁原子，发出X射线荧光。罗希X射线时变探测器每隔几秒钟就可以观测一次铁原子X射线荧光的光谱，由此可确定铁原子的温度、速率及在中子星周围的位置，通过把这些信息累加起来，就可以知道中子星爆发时吸积盘的变化情况。
由于4U1820－30的这次罕有的爆发释放了巨大的能量，在3小时内释放的能量超过太阳在100年中释放的能量，照亮了它的吸积盘的最内部的区域，使科学家们能观察以前见不到的细节。他们在大约1000秒的时间内，看到了距中子星表面约10英里的气体围绕中子星流动及回复到原有状态的细节。
碰撞爆炸产物
美国哈佛－史密森天体物理学中心研究人员说，2013年6月，他们借助美国航天局SWIFT卫星，观测到一次伽马射线暴。这一代号为GRB 130603B的伽马射线暴距地球约39亿光年，持续时间不到0.2秒，但其红外线余晖却持续数天时间。
研究人员解释说，中子星碰撞后会喷射出富含中子的物质，这些物质产生的放射性元素在衰变时就会发出这种红外线余晖。结合宇宙大爆炸以来可能发生的中子星碰撞爆炸数量以及一次伽马射线暴可能产生的金子数量，研究人员发现，宇宙中的金子可能全部来自这种伽马射线暴。
2021年，根据《天体物理学杂志快报》6月29日刊登的一篇论文，来自美国、日本和欧洲的国际研究团队首次明确证实了黑洞和中子星的碰撞。
参考资料
[1]
知识人 中子星 2007-04-22[引用日期2009-12-20]
[2]
人类首次证实黑洞与中子星碰撞 · 西瓜[引用日期2021-06-30]
[3]
我国天文学家利用郭守敬望远镜发现一颗宁静态中子星 · 今日头条-环球Tech[引用日期2022-09-25]
[4]
国际最新研究发现一颗“轻盈”中子星 或为“奇异星” · 今日头条[引用日期2022-10-26]
[5]
宇宙级别的完美爆炸 距地球1亿多光年千新星球形爆炸 · 中新网[引用日期2023-02-16]
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