试听180秒XI：什么是“中子星”？

引言：我们已经知道，所有的“脉冲星“都是“中子星”——那么“中子星”到底又是怎么一回事儿呢？

知识点 I ：中子星vs.白矮星

        太阳、白矮星、脉冲星，这三者直径上都差2个数量级（几百倍）。白矮星的直径为10000~12000公里左右，与地球近似；而中子星的直径大约20公里。质量不变的情况下，密度与体积成反比，所以白矮星也好，中子星也好，密度是相当大的。我们把它们叫做“致密天体”。白矮星的密度大概在104到107g/cm3之间，大部分是106，是太阳的百万倍。像天狼B的密度就是水的380万倍，如果取上面一块1 cm3的物质将有3.8吨之多，相当于一辆小货车。

        地球的直径是中子星的600倍左右，太阳直径是地球直径的109倍，所以相比于太阳，中子星的体积缩小了216万亿倍，而仅仅一个地球就可以容纳下2.6亿颗脉冲星！相应的中子星的密度是太阳的百万亿倍，即1014倍，在8.4 × 1013~1 × 1015g/cm3之间，中子星上方糖大小的物质将有1亿吨！

知识点 II ：中子星的成因

        白矮星之所以能稳定存在就是因为电子简并压力对抗恒星自身引力达到平衡。白矮星的质量上限是1.44倍太阳质量，质量再大，电子简并气压也hold不住了。带负电的电子会压入原子核，与带正电的质子中和，成为中子。

        当钱德拉塞卡提出白矮星质量上限时，中子尚未被发现。1932年当中子被发现后，前苏联物理学家朗道立刻就预言有一类星体可以全部由中子构成。1934年，巴德和兹威基认为超新星爆发可以将一个普通的恒星转变为中子星。1939年，奥本海默及其学生沃尔科夫建立了第一个定量的中子星模型，提出了中子星的质量上限，后人称之为“奥本海默极限”。

        当一颗白矮星的质量超过1.44倍太阳质量，或者原来的恒星超过8倍太阳质量，晚年发生超新星爆炸后核心坍缩，残余质量超过1.44倍太阳质量的话，星体的引力大于电子简并压力，星体会在几秒钟内迅速崩塌，极度收缩，电子冲入原子核，击碎原子核并发生基本粒子的反应，电子与质子结合成为中子，同时放出中微子。中微子会逃逸出去，而大量的自由中子就会以极高的速度射向星体中心，直到物质压缩到直径只有大约20公里时重新建立起平衡，即中子简并压力与引力的抗衡。这个时候，整个星体99.5%都是密集的中子了，只有0.5%的电子浮在其表面。

        后来天文学家计算认为“奥本海默极限”大概是2~3倍太阳质量，这个值并不明确。如果超新星爆炸后残余质量超过这一极限，核心将继续坍缩，再也没有什么力量可以抵挡住引力，星体会在远小于1秒的时间里坍缩成为黑洞。

普通恒星内的物质结构（左），原子与原子之间存在大量缝隙。白矮星内的物质结构（中），大量高能电子被简并压力推出原子，以极快的速度运动。电子简并状态下的物质密度可达每立方厘米1吨。重子简并结构（右）红色的是质子，绿色的是中子，中子星上都是中子简并而无质子。物质密度可达每立方厘米1亿吨。（图片来源：http://nrumiano.free.fr/）

知识点III：中子星&脉冲星

        “脉冲”是现象，“中子”是本质。如果套用数学集合概念的话，中子星包含脉冲星，中子星的集合更大些。一般来说恒星的亮度与表面积有着直接关系，表面积越大越亮。中子星实在是太小，它的光度要比普通恒星低几十亿倍，这对光学望远镜来说难度太大。直到1967年贝尔与休伊什发现脉冲星，才根据观测到的几颗脉冲星的表现，推断它们就是天文学家苦苦寻觅的中子星。

        首先，根据角动量守恒，大量物质集中在很小的范围必然导致高速自转；其次，单个天体自转产生的电磁辐射才有可能那么稳定，排除了双星的可能；再次，脉冲周期会慢慢变长，也不符合双星的情况，因为双星绕转能量会损失比较快，而中子星自转的能量随着脉冲辐射带走，自转速度渐渐变慢，周期渐渐拉长，符合观测结果。

        恒星磁场的强度一般在10高斯的数量级（地球是0.5~0.6高斯）。中子星的直径要比普通恒星小近10万倍，但是坍缩过程自旋角动量守恒和磁通量守恒依然成立，所以磁场强度会增加1亿倍到100亿倍，就好像体积缩小了，但磁力线的数量没有减少，密度就增加许多。带电粒子在磁场中运动会发出电磁辐射，由于高速旋转，让这种辐射形成一个方向性很强的辐射锥，辐射锥的中心就是磁极，通常与自转轴不重合。但磁轴会随着中子星一同自转，当辐射锥恰巧扫过地球的时候，我们就收到脉冲信号了，此时中子星就被我们称为“脉冲星”。到目前为止，观测射电脉冲依然是发现中子星几乎唯一的途径，因此，脉冲星差不多就是中子星的代名词了。

电子在磁场中运动就会产生电磁波（图片来源：http://nrumiano.free.fr/）

脉冲星模型（来源：网络）

【总结】关于中子星的特点，我们归纳如下：

1、体积小、密度大。直径只有20公里，密度大如原子核，一汤匙的中子星物质就相当于一座山。

2、自转非常快。通常每秒钟能自转上好几圈。（几秒甚至几十毫秒就能自转一周）

3、高度磁化。磁场强度是太阳的数十亿倍。

4、有射电脉冲。当磁轴（脉冲束）扫到地球被我们看到时，中子星就被称为脉冲星。

5、脉冲周期相当稳定。几百年才会慢1秒。

6、亮度非常小，电磁辐射主要在射电波段。亮度只有普通恒星的几十亿分之一。

7、温度极高、压强极大。表面温度可达1000万度，是太阳的2000倍，而其中心温度可以高达60亿度。由于密度非常大，所以中心压力可达1万亿亿个大气压，比太阳高3亿亿倍。