有人问:既然中子星是由不带电的中子组成,为啥还有极强的磁场?

首先,我们了解一下中子星是怎么来的?有资格形成这种天体的恒星质量必须大于太阳的8倍,小于太阳质量的30~40倍。这种大质量恒星在寿终正寝时会拼尽全力来一个回光返照,爆发出巨大的能量,将大部分质量散尽回归太空,中心留下一个致密的核,这个核有太阳质量的1.44倍以上到3倍左右,这个核就是中子星。

这个核有多大呢?半径10~20km。有人老不相信中子星有那么“重”,每立方厘米质量达到1~20亿吨,想想就明白了,一个10~20公里半径的球,浓缩了1.44个太阳以上的质量。要知道太阳质量是1.9891x10^30kg,半径为69.6万km。掰下手指头,用太阳质量乘以1.44,再除以半径10km的球体积,其密度不就出来了?

上面这幅照片显示的就是距离我们6300光年的蟹状星云,这是在1054年爆发的一颗超新星遗迹,其中心就是一颗中子星,也是一颗脉冲星。

中子星的几个极端特点。中子星的特点除了密度大,还有自转速度超快、温度超高、压力超大等特点。

中子星自转主要是继承了原恒星的角动量,这有点像跳冰上芭蕾,当运动员缩紧身体时,缓慢的旋转就会变得快了起来。原恒星都是数十万甚至百万千万km半径,缩小到10来km,因此转起来就快多了。最快的毫秒级脉冲星,如代号为J1739-285的中子星,自转速度达到每秒1122转;已知最高转速的中子星PSR0535-69,转速高达每秒1968转。

中子星刚形成时,温度可达10^12K,就是万亿开尔文,而太阳表面温度才6000K,中心温度才1500万K。中子星温度比太阳温度高出上亿倍。随着时间的推移,中子星温度经过一个“乌卡”过程,10000年后,中心温度会降到1亿K,表面温度会降到100万K。

中子星压强达到10^28个地球海平面大气压,也就是比地球海平面高出1万亿亿亿倍,比地球中心压力约300万海平面大气压高出30万亿亿倍,比太阳中心3000亿大气压高出3亿亿倍。

由于中子星这种极端特点,它除了害怕黑洞,任何天体靠近它都会被它吃掉,就更别说人造天体了,因此人类想要近距离观测中子星是不可能的。中子星的表面逃逸速度达到光速一半,也就是每秒15万km,如果一个人被中子星引力捕获掉落其上,速度将达到一半光速,撞击造成的能量达到2亿吨TNT爆炸威力,相当4枚世界最大核弹沙皇炸弹,或15000多颗广岛原子弹同时爆炸威力。

不过这点威力在中子星极大的重力场作用下,可能掀不起一个毫米的波浪。

还有一个极端特点就是超强磁场。

中子星的磁场有多强呢?我们来比较一下。磁场的衡量单位叫“高斯”,字母表示为Gs。地球磁场为0.7Gs,就足以抵挡太阳风的侵袭;木星磁场达到14Gs,是地球的20倍;太阳磁场极区普遍磁场很低,只有1Gs,但太阳磁场活动性很大,两极喷发时可达1000Gs,日面宁静区磁节点磁场强度也达到上千Gs,但黑子爆发磁场可达4000Gs。

这些看起来已经很强的磁场,与中子星磁场比起来完全是小儿科了,就连用“小巫见大巫”来比喻都大大高估了恒星磁场了。中子星的磁场强度至少在数千亿Gs以上,绝大多数脉冲星表面极区磁场强度都高于10000亿Gs,甚至高达20万亿Gs。

脉冲星是中子星的一种,就是旋转的中子星,因不断地发出电磁脉冲信号而得名。其实中子星都会旋转,只不过有快有慢,那么怎么有区别于脉冲星呢?

这是因为天体的自转轴与磁轴并不重合,中子星也一样。这样中子星旋转起来,从磁极发出的能量射线就会像灯塔一样扫过太空,而这束能量正好扫到地球,并且有规律的重复扫过,被人类接受到了,这颗中子星就是脉冲星。由于中子星很小,那些虽然也有旋转和能量射出的中子星,由于其能量信号没有扫过地球,就比较难被人类发现,即便发现了,也不叫脉冲星,依然叫中子星。

现在我们来说说,中子星组成和带不带电的问题。理论上认为,中子星是在极大压强下,原子外围的电子被压进了原子核,带负电的电子就与核内带正电的质子中和为了中子,加上核子里本来的中子,整个星球就成为一个由中子组成的星球,其密度达到原子核密度。

这个理论是理想理论,并没有错,但在实际中,中子星本身并不是一个完整的中子球,而是根据压强不同,就像地球一样,有几个不同分层结构。其表层是一些被压强压垮,还没来得及与质子结合的游离电子;第二层是处于结合过程的原子核、电子、中子等混合体;第三层应该是已经结合完成的全中子了,但在极端的高温高压下,这里呈现出超流体液态;第四层是超固态核心区。

因此,所谓中子星不带电这个论断是不成立的。何况即便全部是中子组成,而中子是由1个上夸克和2个下夸克组成的复合粒子,夸克是带电的,上夸克带2/3正电,下夸克带1/3负电。

因此,中子星不带电是一个误区。

那么中子星的磁场怎么来的呢?我们先来了解一下天体磁场是怎么来的。虽然目前对于天体磁场的来历还没有一个统一的认识,但目前科学界认同比较多的理论是发电机效应。

我们知道,发电机的转子切割磁力线会产生电流,由此科学家提出地球内部存在类似“双轴发电机”的磁场产生效应。地球内部有多重结构,各个结构密度和状态都不同,在地球自转时,不同的结构转速是不一样的,这样地球产生了稳恒的电流,该电流产生了地球磁场。

太阳磁场研究也有类似理论,是由内部带电物质运动的不均衡产生了磁场。但太阳磁场产生还有一种化石来源说,这种理论认为,太阳现有磁性是几十亿年前形成物质遗留下来的。这种学说实际上就是说磁场可以从其前身天体获得或继承。

根据这些理论,中子星出现的强大磁场就不难解释了。

其一,中子星自转速度极快,达到地球自转的上亿倍,其分层结构转速差异很大,特别是中间有超流体这种超导物质,根据发电机效应,必将形成超强的磁场;

其二,中子星是由巨大质量恒星爆发而来,其不但继承了前期母星的角动量,同样也能够继承母星的磁性。

但最近一项研究否定了第二点,就是继承母星磁场的说法。这项研究是坐落在德国慕尼黑的马克斯普朗克天体物理研究所一个团队做出的,他们认为,中子星可能是在自身形成过程中产生的极端磁场。这个过程是,巨大恒星在坍塌的最初几秒钟,新生的中子星通过发射中微子快速冷却,从而引发了强烈的内部对流,就像一锅烧开的沸水上下翻滚,这样就导致原本存在的原恒星弱磁场快速增强。

这个理论支持了发电机模型理论,他们通过超级计算机对这个理论进行模拟,显示出了中子星初始弱磁场一路放大到10^16Gs,从而正是这种推测是正确的。

他们认为,如果极强磁场是继承自原恒星,这种极强的磁场会导致原恒星转速减慢,最终也导致中子星转速很缓慢。但实际上中子星的转速是很快的,最快的达到每秒1968转,因此这种强大磁场不可能来自原恒星。不过他们并没有否定中子星从原恒星中继承了较弱的磁场,正是有这些较弱的磁场,通过发电机理论才得以快速增强。

这就是中子星极强磁场的大致来历。关于天体磁场形成的准确完整机制,依然在探究中。

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来源: 原创

中子星由中子组成,既然中子呈中性,为啥会有超强的磁场?

图文简介

中子星是一种非常极端的天体,重力转速温度压力都极高,磁场也是超强,是地球的1亿倍。但理论上来说磁场从运动电荷中产生,既然中子星由不带电的中性中子组成,怎么会有强大磁场呢?我们一起来探讨。