科学探索|为啥会有中子星，它有多可怕，指甲盖大一块按地球密度有多大！
常有人对中子星物质密度没有一个直观了解 ， 因此抱着质疑的态度 。 今天我们就来通过剖析一下一块指甲盖大的中子星物质 ， 按地球物质密度看看有多大 ， 并根据这条线索 ， 让各位对中子星的来历有一个较为清晰的了解 。
所谓指甲盖大 ， 就定义为1立方厘米 。
【科学探索|为啥会有中子星，它有多可怕，指甲盖大一块按地球密度有多大！】
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我们通过密度换算就知道了 ， 这只是一个简单的数学题 。
中子星密度为1~20亿吨/cm^3 ， 地球密度为5.5g/cm^3 ， 中子星密度约地球密度的18.2万亿~364万亿倍 ， 我们折中一下 ， 中子星按中间密度10亿吨/cm^3 ， 这样1立方厘米中子星就有182万亿立方厘米的体积 ， 换算成立方米就是1.82亿立方米 。
根据球体积公式V=(4/3)πr^3 ， 可计算出1立方厘米的中子星物质变成地球物质 ， 相当一个半径351米的球体 。 这个结果可能超乎一些人想象吧？中子星说得那么玄乎 ， 也不过如此 。 其实这已经很玄乎了 ， 一个指甲盖那么大的中子星物质 ， 变成地球物质就成了塞满鸟巢空间一个巨大的球 。
指甲盖大的黑洞 ， 会有多大质量呢？1cm^3体积的球形半径就是约0.62cm ， 这就是黑洞的史瓦西半径 ， 史瓦西半径的计算公式为：R=2GM/C^2 ， 这里R为史瓦西半径值 ， G引力常量 ， M为天体质量 ， C为光速 。 根据公式计算 ， 这么大的黑洞质量约有41万亿亿吨 ， 约地球质量的68.3% 。
那么60万亿吨的地球如果变成中子星 ， 地球体积将缩小182万亿倍 ， 就成了一个半径约112.4米的球 。 也就是说这个球远远没有1立方厘米中子星物质变成地球物质体积大 。 想一想我们开着时速100km的汽车 ， 没日没夜一刻不停的开 ， 都要开16天多 ， 才能够转一圈 ， 而地球变成中子星后 ， 只要散着步也只要几分钟就转了一圈 ， 开心吧？
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不过这种开心永远也不会降临 。
这是因为中子星的质量介于太阳的1.44~3倍之间 ， 太阳质量的1.44倍是钱德拉塞卡极限 ， 没到达这个临界点 ， 就只能成为一个白矮星 ， 成为不了中子星；而太阳的3倍左右是奥本海默极限 ， 到了这个极限 ， 中子简并压就再也支撑不了重力压力 ， 必然坍缩成一个黑洞 。
因此中子星的半径一般在10km左右 ， 像地球这种质量 ， 包括太阳这种质量的天体 ， 是变不成中子星的 。 太阳最终的归宿是一个白矮星 。 一般认为要太阳8倍以上 ， 30倍以下的恒星在演化晚期 ， 发生超新星大爆发后 ， 抛弃了绝大多数的物质 ， 剩余的核心致密物质才会形成一个中子星 。 而40倍太阳质量以上的恒星 ， 超新星大爆发后核心残留物质会坍缩成一个黑洞 。
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所以在中子星上转一圈至少有六七十公里 ， 急匆匆的走也要走八九个小时吧 。 而且已知的任何物质都无法在中子星上落脚 ， 更别说人了 ， 靠近都不行 。 如果一个成年人被中子星引力捕获 ， 拉拽着掉到其表面 ， 掉落速度可达光速一半 ， 即每秒15万千米 ， 撞击的威力相当15000多颗广岛原子弹同时爆炸 。
不过别担心 ， 中子星会毫发无损 ， 连1毫米波澜都掀不起来 。 因为中子星上重力形成的压强达到10^28个地球大气压 ， 也就是1万亿亿亿个大气压强 ， 相当地球中心压强的30万亿亿倍 。 中子星的极端还有：磁场强度达到地球的数十万亿倍；逃逸速度达到一半光速；表面温度数百万度到上亿度 ， 中心温度可达万亿度 。
这样的地方 ， 在可预见的未来 ， 人类是也无法靠近的 。 不过刘慈欣的小说《三体》中 ， 描述的三体人水滴探测器 ， 就是由中子星类物质制造的 ， 所以人类穷尽一切办法不但无法窥探其中的秘密 ， 就是在表面放大一亿倍也无法找不到一点疤痕 。 当然这只是小说夸张的想象 ， 中子星物质是没有办法在一般环境存在的 。
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致密的天体是如何形成的？
密度不同的天体 ， 是由于天体重力不一样导致的 。 因为在超强大压力下 ， 物质会被压垮 ， 这种垮不是我们生活中看到或理解的那种垮 ， 而是原子粒子之垮 。 我们之所以能够看到各种各样形态的物质 ， 能够保持某种形态不变 ， 是因为物质内部有一种压力 ， 或者叫斥力 ， 在支撑着外部压力 。
比如人体 ， 经过长期进化适应了地球1个大气压的压力 ， 形成了人体内部压力与外部压力的平衡 ， 这样人就能够在地表每平方厘米1公斤的压力下活动自如；而如果加大压力或者减少压力 ， 人类就承受不了 ， 因此在深潜时或太空探索 ， 人类就要穿上抗压服 ， 来帮助身体抵御外面压力的变化 。
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在物质内部更深层次 ， 每一个层次都会自动抵御某种压力 ， 这种抵御压力的原理是量子力学的奠基人之一 ， 美国物理学家沃尔夫冈·泡利发现的 ， 因此人们把它定名为“泡利不相容原理” 。 这个原理认为 ， 微观层面费米子（电子、中子、质子等一类粒子）组成的系统中 ， 不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态 ， 也就是说两个粒子不能占据空间中的同一个位置 。
通俗的说 ， 就是这些天生不愿靠在一起 ， 一定要保持距离 ， 这样就形成了相互之间你推我搡的排斥力 ， 这种排斥力到了越深层次的粒子就越大 ， 能够抵御的压力也相应越大 。 巨大恒星中心压力极大 ， 超新星大爆发导致的压力就更高了 ， 这样中心物质就会在不同压强下形成不同层次的致密天体 。
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电子简并压和中子简并压造就了白矮星和中子星 。
首先 ， 中子星的质量介于1.44~3个太阳质量之间 ， 小了没到达钱德拉塞卡极限 ， 也就是1.44个太阳质量 ， 重力就达不到压缩临界点 ， 就只能保持白矮星的电子简并态物质 。 电子简并态物质也是在重力极大条件下 ， 物质的原子被压瘪了 ， 不过还没有碎 ， 只是外层电子成为游离电子 ， 而原子核还保持完整的躺在电子海洋中 。
这就是白矮星 ， 白矮星依靠电子之间排斥力形成的简并压支撑着重力压 。 太阳以及8倍太阳质量以下的恒星 ， 演化后期外壳物质会消散在太空 ， 中心留下一个质量在太阳1.44倍以下的白矮星 ， 体积约地球大小 ， 密度达到1~10吨/cm^3 。
当白矮星通过吸积 ， 或者超新星大爆发后核心残留的致密物质达到1.44个太阳质量以上时 ， 电子简并压就再也无力支撑巨大的重力压力 ， 星球物质只有进一步坍缩 。 这样原子就完全崩溃了 ， 带负电荷的电子被压进了原子核 ， 与带正电的质子中和成为了中子 ， 加上原子核中原来的中子 ， 整个星球就基本上由中子组成 ， 因此叫做中子星 。 中子星已经完全消除了原子巨大的空间间隙 ， 达到原子核的密度 ， 约10^15kg/cm^3 。
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中子星物质是目前人类观测到密度最大物质 。
中子星就依靠中子简并压支撑极高的重力压 ， 勉强维持着这种极端致密的物质形态 。 当中子星通过吸积 ， 或者超新星大爆炸核心致密物质质量超过太阳3倍左右时 ， 就到了奥本海默极限 ， 中子简并压就也无法支撑这种压力了 。 这时 ， 就没有任何力量能够阻止物质的无限塌缩了 ， 中子也被压碎了 ， 我们认知的一切物质形态再也没有了 ， 这个天体就成为一个无限小的奇点 ， 这个奇点的密度已经无限大 。
虽然这个奇点没有体积 ， 人类无法看到了 ， 但还保有着质量、角动量和电荷等物理量 ， 并在奇点周围形成一个与质量成正比的球状无限曲率空间 ， 这个空间什么也没有 ， 只有引力场 。
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这就是黑洞 ， 那个球状空间就是黑洞的史瓦西半径 。 黑洞奇点已经不是我们可认知的事物 ， 也不是我们世界的物质了 。 因此中子简并压物质是我们能够认知最极端最致密的物质 。
有理论认为 ， 宇宙中可能存在着夸克简并态天体 ， 它的密度大于中子星 ， 仅次于黑洞奇点 。 不过迄今为止并没有发现这种天体 。 这样中子星在宇宙天体食物链中 ， 依然占据着老二地位 。
就是这样 ， 欢迎讨论 ， 感谢阅读 。
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