天文與太空：宇宙探索，什麼是中子星？

天文與太空：宇宙探索，什麼是中子星？

中子星可以說是宇宙中最奇特的物體。就像那些看似必須在生活的各個方面都表現出色的那些討厭的朋友一樣，中子星幾乎在所有類別中都超過了：表面引力、磁場強度、密度、溫度。

美國宇航局藝術家用它的伴星（右）演繹中子星斯威夫特J1749。4-2807（左）。圖片來源：NASA /戈達德太空飛行中心。

“但等等，”我聽到你說，“ 黑洞更密集！” 從某種意義上說，這是真的，但我們實際上無法確定黑洞的內部結構，因為它永遠隱藏在事件視界之後。

具有堅硬地殼（甚至是海洋和大氣層！）的中子星是我們可以觀察到的最密集的固體物體，其核心的原子核密度達到幾倍。一粒沙粒大小的中子星材料樣本的重量與有史以來最大的海上船舶相當- 超過500，000噸。

中子星也提供了大量的極端行為，這使它們成為天體物理學家的一個引人注目的目標。然而，對於公眾而言，他們似乎遭受了影象問題，缺乏我們可以直接成像的物體的視覺吸引力，或者黑洞的超凡脫俗的古怪。

中子星的起源

中子星被認為是由超新星爆炸形成的，它結束了中型恆星的壽命，大約是太陽質量的8到20倍。一旦其核燃料被消耗，恆星就會爆炸，將大部分材料丟失到太空中。

剩下的東西坍塌成一個微小的物體（按天文標準），大約22公里，大城市的大小，但仍然是我們太陽質量的一倍半。

雖然地殼主要由結晶鐵組成，但這些原子不能在恆星中更深地存活，並且材料透過奇怪的“核麵食”階段（影象中的區域A，下面）轉變為核心的中子流體（區域B）和C）。

核心的條件不能在任何地面實驗中重現，這個區域的不確定性 - 可能包括奇異的超子，甚至是“奇怪的夸克物質” - 是研究這些物體的主要動力。

中子星發出的可見光很少，因此在盲目搜尋中幾乎不可能發現它們。已經透過無線電脈動發現了幾千個已知例子中的大多數。

中子星的解剖學，圖片來源：Dany P Page。

像宇宙燈塔一樣，來自這些脈衝星的成對無線電波束掃過整個宇宙。如果光束穿過地球，可以用地面射電望遠鏡檢測它們，例如新南威爾士州帕克斯的Dish。最近的脈衝星PSR J0437-4715距離我們大約500光年。

當然，還有更多的例子沒有到達地球的光束，因此觀測到的樣本只佔總銀河群的一小部分。除了這些普通的無線電脈衝星之外，還有其他幾種更有趣的風格，也有相當古怪的名字：

旋轉RAdio瞬態（RRAT）是帶有不穩定光束的脈衝星，可以閃爍。

磁棒是具有令人難以置信的強磁場的脈衝星。

微類星體是脈衝星，噴射器達到相對論速度。

一切都在旋轉

典型的脈動中子星每秒旋轉一次，這對於如此龐大，密集的物體而言非常快。但如果恆星碰巧有一個正常的二元伴星（見上圖），中子星可以“旋轉”到旋轉週期中典型洗衣機速度的十倍以上。

發生這種情況的過程稱為吸積。在這些物體的數千萬年的生命週期中，伴星發展（並擴充套件）直到外層感受到中子星的引力。

來自伴星的氣體然後可以流到中子星上，旋轉它，就像你可以用花園水管旋轉自由腳踏車輪一樣。

這個過程有一些顯著的副作用。落在中子星上的氣體被加熱到數千萬度，中子星將開始在X射線而不是無線電波中發出明亮的光。這種輻射被地球大氣阻擋，但可以透過衛星望遠鏡檢測，如美國國家航空航天局和歐洲航天局（ESA）運營的望遠鏡。

事實上，除了太陽之外，X射線天空中最亮的物體是一顆可能的中子星，Scorpius X-1（在Scorpius星座中發現的第一個X射線源），它曾經是它的大規模捐贈伴侶的軌道每19個小時。

發生融合

透過吸積過程聚集在中子星表面的氣體很可能類似於我們自己的太陽 - 主要是氫和氦的成分，其中幾乎有其他元素。

中子星的巨大引力，比地球強幾千億倍，將壓縮和加熱氣體，在幾小時或幾天後導致核聚變發生。

但是這種燃燒並不像太陽那樣明星。相反，燃燒是不穩定的，並在幾秒鐘內完成，以完全吞沒中子星的表面，耗盡所有積累的燃料，並在整個星系中產生可見的X射線爆發。

自第一批X射線望遠鏡於20世紀60年代發射以來，已在大約100個系統中觀察到這些爆發。每隔幾小時到幾天發生一次（取決於吸積率），它們是迄今為止宇宙中最常見的熱核爆炸。

當然，同伴的天然氣供應最終會耗盡。當發生這種情況時，中子星可能重新發揮其作為無線電脈衝星的作用，儘管現在每秒旋轉數百次。目前的記錄保持者PSR J1748-2446ad每秒旋轉716次！

但即使中子星也不能永遠保持活躍。最終，自旋能量將消散，並且沒有伴隨它回收它，脈衝星將越過死亡線，超過該死亡線就不再能夠檢測到它。

在那之後，中子星將逐漸冷卻直到時間結束。在此之前，中子星將繼續作為在極端密度和溫度下研究物質的非凡實驗室。