中子星“游記”

初鵬程

由牛頓的萬有引力定律可知，凡是具有質量的物質都會產生引力，引力的大小與質量成正比，即質量越大產生的引力也越大。引力的特點是以物質的質心為中心來計算的，所以恒星雖然擁有巨大的體積，但它的引力還是以質心為原點的。星體內部的物質所受的引力指向星體核心，需要星體物質自身產生較高的壓強，凈壓強沿著星體半徑的方向朝外才能抵消引力，最終通過受力平衡來形成穩定的星體。

星體內部的引力（繪圖/ 周游）

一般來說，星體物質的壓強越大，溫度也越高，所以恒星內部核心處會有非常高的溫度，足以達到產生核反應的條件，持續釋放能量來抵消引力引起的內縮。

其實不只是恒星，任何天體或者是具有質量的物質，都會產生同樣的現象。

白矮星、中子星、黑洞是恒星演化的3種結局，它們都屬于致密星。

太陽質量是用于測量恒星或如星系類大型天體的質量單位。它的大小等于太陽的總質量，大約1.989X1030千克（一般取2X1030千克），為地球質量的33萬倍。雖然太陽的質量和體積遠大于地球，但放在宇宙中，它的亮度、大小、質量都非常普通，因此人們一般采用我們熟悉的太陽質量作為單位，來衡量其他觀測到的恒星的質量。

恒星的演化

而恒星演化為何種致密星主要取決于它自身的質量。一般來說，質量在1～8倍太陽質量的小質量恒星，最終會演化成白矮星，例如太陽。而大質量的恒星可能演化成中子星，更大質量的恒星則可能坍縮成黑洞。

在質量為太陽質量10 倍以上恒星的演化末期，如果其核心核反應太過劇烈，快速耗盡能量，恒星會被強大的引力壓縮，星體物質的相互作用間距被進一步減小，并在非常短的時間內產生劇烈的爆炸，這就是“超新星爆發”。

在爆炸中，原子的核外電子被“壓”進原子核，原子核中的質子會與之結合，形成中子。因此，超新星爆發后的星體中的中子積累增多，在構成星體的粒子中，中子的比例也是最高的，中子星就形成了。

中子星質量大、密度高、引力強。在當前物理學前沿領域中，中子星方向的研究始終有一席之地。追溯其歷史起源，1932年，蘇聯物理學家朗道在英國物理學家查德威克發現中子后不久，即提出有可能會存在完全由中子構成的星體，中子星的概念自此而生；1967年，科學家發現了第一顆射電脈沖星，人們很快意識到它應該是理論上推測已久的中子星，由此揭開了大規模研究中子星的序幕。很長一段時間內，中子星被大家視為致密星體的代表。

中子星的質量一般為1～2倍的太陽質量，半徑非常小，10千米上下，由此可見其致密程度。在《西游記》中，孫悟空的“如意金箍棒”重13500斤， 能變成繡花針塞到耳朵里。倘若以中子星的物質做出一根繡花針，質量就會變成原來的10萬倍，估計強如孫大圣也不敢將它放進耳朵里了。如果從中子星中“摳出”乒乓球大小的一團物質，其重量可以與珠穆朗瑪峰相提并論。

讀者們可以考慮下，密度這么大的中子星，內部除了中子還有沒有別的構成粒子呢？答案是有的，中子星內部中子為其主要成分，質子和電子也有一定的比例，甚至還會包含一些超子（含有奇異夸克的一類粒子）和μ 子（一種輕子，電子也是輕子）。

而對于中子星的內部物質狀態及整體結構，科學家們尚未完全探明，人們猜測可能是聚合得更緊密的中子、質子、超子，還可能是由夸克物質構成的“夸克核心”！

超新星爆發

在致密星體中，還存在著強大的磁場，星體表面磁場可以達到1011高斯以上，內部磁場可能會更強，而地球內部磁場只有0.5～0.6高斯，可見致密星體內部磁場極強。如此巨大的磁場，甚至會改變致密星體內部物質的分布，使得致密星體物質的壓強分布不再是球對稱，而是根據磁場分布產生變化。

此時的致密星，我們就可以統稱為磁星了。磁星內部磁場的分布也是致密星體領域的一個重要問題，目前提出的分析思路很多，但是并沒有準確的實驗方法去驗證。

我們可以將磁星內部磁場投影分解成兩種情況：第一種情況是磁場在磁星內部沿著磁星半徑方向發出，從另一極繞回，像是地球的磁場；另一種情況是磁星內部磁場在星體內部垂直于徑向的平面中隨機閉合分布，但這種磁場分布情況科學家尚未完全探明。

而且磁星質量與半徑會隨著磁星內部磁場強度與方向分布而發生顯著變化，因此磁場是影響致密星性質的一個重要方面。

磁星示意圖

在廣袤的宇宙中，無數的天體自轉、公轉、相互吸引，大量的宇宙射線起源、傳播、縱橫交錯，人們在物理與天文上的相關研究延綿幾千年，獲得了豐富的實驗與理論成果，不斷拓闊我們對于宇宙的認知。

（責任編輯 / 張麗靜 美術編輯 / 周游）

談到夸克物質，就要提一個較有歷史且又令人向往的名字——夸克。

直到大約30年以前，人們還以為質子和中子是基本粒子（ 即不可再分）。但事實上，它們也是由更小的粒子構成的，那就是夸克。它分為“上、下、奇異、粲（càn）、底、頂”6味（“味”可視為夸克的種類）。其名字的命名是由物理學家蓋爾曼從《芬尼根的守靈夜》（愛爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯創作的長篇小說）中選擇的，以此表示對科學語言自由的向往。

夸克具有分數電荷，例如上夸克與下夸克的電量，分別是元電荷的+2/3倍與－1/３倍。簡單地說，兩個上夸克和一個下夸克就可以構成一個質子，兩個下夸克和一個上夸克可構成一個中子（讀者可以驗證下）。

以水分子為例的從分子到夸克