中子星是什么？

2026-03-23 中子星

磁星的插圖，一種中子星。(圖片來源:MARK GARLICK/科學圖片庫via Getty Images)
據美國太空網（Robert Lea）：中子星是大質量恒星核心的殘余，這些恒星已經到了生命的盡頭。
它們是最大質量恒星的兩個可能的進化終點之一，另一個是黑洞。密度最大的恒星物體，除了可能存在于黑洞中心的任何東西，中子星是宇宙中最極端的物體。
美國宇航局估計，在我們的銀河系中有多達10億顆中子星。迄今為止發現的大多數中子星都是年輕的中子星，當它們以令人難以置信的速度旋轉時，會在地球上掃過高能輻射。經歷了數十億年的緩慢旋轉和冷卻的較老的中子星不太顯眼，但同樣迷人。
“對于中子星，我們看到了強大的引力、強大的磁場和電場以及高速的結合。它們是極端物理和條件的實驗室，我們無法在地球上復制，”美國宇航局戈達德太空飛行中心大面積望遠鏡(LAT)科學小組成員大衛·湯普森在美國宇航局的一份聲明中說。
中子星是如何形成的？
恒星的生命，無論大?。?都是重力向內“推動”和光子向外推動之間的平衡行為，光子是在恒星核心進行核聚變(從輕核鍛造出重原子核)時產生的。當恒星耗盡氫融合成氦時，它們就到達了核燃料燃燒生命主要序列的終點。向外的能量停止，引力勝出，導致恒星的內核向內坍塌。當這種情況發生時，恒星外殼中的核聚變繼續進行，這導致這些外層“膨脹”這些脫落的外層冷卻了仍在坍塌的核心，如果它足夠大，將開始新一輪的核聚變，將氦鍛造成更重的元素，如碳。
即使質量是太陽的10至20倍的恒星，也達到了它們可以鍛造的重元素的極限(Green，Jones，2015，第251頁)，通常最終形成幾乎純鐵的核心。即使是這種重元素的密度也不足以阻止巨大的核心進一步坍塌。當這種情況發生時，重力壓力是如此之大，以至于構成恒星核心鐵原子核的帶負電的電子和帶正電的質子被擠壓在一起，產生了大量不帶電荷的中子或中性中子。
一些大質量的恒星核心在這一點上由于一種稱為“中子簡并壓力”的量子現象而免于進一步坍塌，這種現象發生在當密度達到一定程度時，中子不再能夠更緊密地聚集在一起，使它們成為中子星。
為什么形成中子星而不是黑洞？

在所有已知的太空物體中，中子星的密度最高，它可以在整個星系中發射輻射。(圖片來源:信息圖表藝術家卡爾·泰特)
如果中子星誕生的過程聽起來很熟悉，那可能是因為這也是大質量恒星變成黑洞的路徑。問題是，為什么有些恒星會誕生中子星，而有些會留下黑洞？
關鍵的區別似乎是坍縮的恒星核心擁有足夠的質量，超過了中子簡并給中子星提供的保護。目前，科學家還不確定黑洞和中子星之間的分界線在哪里。這種不確定性的存在是因為中子星內部的物理學仍然難以研究。
已知最重的中子星的質量大約相當于太陽質量的2.5倍，而已知最輕的黑洞的質量大約是太陽質量的5倍。因此，這兩種死星之間存在著一個質量差距，科學家們目前正試圖縮小這一差距，而一條路徑和另一條路徑之間的界限就在這個差距中。
研究人員目前認為，中子星和黑洞之間的分界線更接近于3倍太陽質量，而不是5倍太陽質量(Green，Jones ， 2015年，第251頁) 。
由于黑洞和中子星之間的主要區別是質量，所以中子星從雙星中積累物質最終可能成為黑洞才有意義。根據國家射電天文臺(NRAO)科學家Jeff Magnum的說法，質量積累的過程可能需要數百萬年，但從中子星到黑洞的最終轉變只需要不到一秒鐘。
太陽會變成中子星(或者黑洞)嗎？
雖然中子星和黑洞之間的界限模糊不清，但我們的太陽將成為的恒星殘骸、白矮星和中子星之間的界限更容易理解。
當太陽在大約50億年后達到氫供應的極限，防止重力坍縮的向外壓力停止時，它的核心將會坍縮。在經歷了紅巨星階段之后，太陽的外層將膨脹并吞噬包括地球在內的內部行星，太陽的核心則成為一顆悶燒的白矮星。
就像中子星被中子簡并壓力阻止成為黑洞一樣，白矮星被電子簡并壓力保護免于進一步坍縮，電子簡并壓力阻止電子更加緊密地擠在一起。電子簡并壓力比它的中子當量弱得多，天體物理學家也比中子簡并壓力更清楚需要克服的質量。
根據SAO天文學百科全書，為了最終成為中子星，這顆白矮星必須超過錢德拉塞卡極限，通常被認為是1.4個太陽質量。這意味著太陽核心的質量是太陽總質量的1.4倍。錢德拉塞卡極限質量由蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡于1931年首次預測，迄今為止與白矮星的觀測結果相符，因為我們尚未發現質量超過1.4個太陽質量的這種類型的恒星殘骸。
美國宇航局估計，太陽的質量必須大10倍才能結束中子星的生命，或者它的質量必須大20倍才能在50億年左右的時間里在太陽系的剩余部分留下一個黑洞。
中子星的大小和質量

一位藝術家描繪了一顆中子星，它包含了被擠壓成一個曼哈頓大小的球的太陽質量。(圖片來源:美國宇航局戈達德太空飛行中心)
要想知道誕生中子星的近乎完全的引力坍縮有多劇烈，人們只需看看它所產生的物質和它所包含的物體的尺寸。
大質量恒星核心的坍塌導致一個物體的質量是太陽的一到兩倍，但寬度只有6到12英里(10到20公里) 。想象一下，太陽縮小到一個球體，舒適地坐落在35英里(56公里)寬的紐約市內。
從870，000英里(140萬公里)的直徑縮小到僅僅12英里(20公里)，將對其內部的物質產生驚人的影響，這對中子星來說肯定是這樣的。美國宇航局估計，如果被帶到地球，由這種富含中子的物質組成的單個方糖將重達1萬億公斤(或10億噸) 。這是一塊相當于3000個帝國大廈或整個人類重量的方糖。
根據Swinburne天體物理學和超級計算中心的說法，這使得中子星物質成為我們在宇宙中可以看到的密度最大的物質，這還有另一個影響。中子星的密度如此之大，以至于它逃離引力影響的速度是光速的一半。
因此，中子星的引力如此之強，以至于美國宇航局戈達德飛行中心表示，如果一顆棉花糖被扔到這些奇異的恒星殘骸的表面，它會加速如此之快，以至于當它撞擊表面時，它會釋放相當于一千顆氫彈爆炸的能量。
雖然棉花糖不容易落在中子星上，但與這些極端恒星殘余物形成雙星伙伴關系的伴星剝離的氣體經常會。當這種氣體以高達每小時數百萬英里的速度撞擊中子星表面時，它會在X射線光中產生強大的煙花表演，每秒鐘閃爍數千次，或者每隔幾年才爆發一次。
中子星的密度和引力并不是唯一使它們成為宇宙中最奇特的物體的東西，它們還有一些其他的極端特征。
中子星的類型:脈沖星和磁星
中子星誕生時，角動量守恒導致它們以驚人的速度旋轉。為了解釋為什么會出現這種情況，想象一下一個溜冰者在旋轉。當他們收縮手臂時，溜冰者的旋轉速度會增加。
根據Swinburne天體物理學和超級計算中心的說法，當恒星核心的直徑隨著引力坍縮而縮小時，也會發生類似的事情，由此產生的年輕中子星旋轉越來越快，達到每秒60轉的速度。
許多中子星隨著年齡的增長速度變慢，每秒鐘旋轉8次左右。但是，對于從雙星伴星竊取恒星物質的中子星，情況就不同了。這種物質帶有角動量，因此這種物質的轉移實際上可以加速或“加速”中子星的旋轉。這可能導致一些中子星每秒鐘旋轉600或700次。
記錄中旋轉最快的中子星是PSR J1748-2446ad，由美國國家射電天文臺(NRAO)于2006年發現，位于距離地球約28000光年的球狀星團中。這顆中子星每秒鐘旋轉716次，即716赫茲，這比廚房攪拌器的葉片還快。
像PSR J1748-2446ad這樣的中子星之所以被發現，是因為當它們旋轉時，它們從每個極點輻射出輻射束，包括無線電、可見光、X射線和伽馬射線波長。因此，當它們轉向地球時，這些輻射束在我們的星球上閃爍，使這些中子星幾乎像“宇宙燈塔”，盡管它們更正式的名稱是脈沖星。所有的脈沖星都是中子星，但不是所有的中子星都是脈沖星。
科學家認為，脈沖星的輻射束是在中子星的強大磁場將物質引導到它們的磁極時產生的。一些中子星的磁場本身就很特別。
當一顆恒星坍縮時，不僅僅是它的質量被壓縮，它的磁場也被壓縮(Green，Jones，2015 ，第255頁) 。磁場用穿過物體的曲線或磁力線來表示，這些線靠得越近，磁場就越強。恒星核心的坍塌產生了中子星，將這些磁力線推到了一起。
歐洲航天局(ESA)表示，一些中子星的磁場可以達到100萬億特斯拉，這不僅比“普通”中子星的磁場強幾千倍，而且比地球的磁氣圈強一千萬億倍，相當于一百萬億個冰箱磁鐵，美國宇航局表示。
這使得磁星的磁場成為已知宇宙中最強烈的磁場之一，這些磁場如此強烈，以至于可以將磁星的表面溫度提高到1800萬華氏度(1000萬攝氏度)以上。有了所有這些極端和破紀錄的特征，想象一下當兩個極端的恒星殘骸相遇會發生什么。
兩顆中子星碰撞會發生什么？

兩顆中子星碰撞并合并的插圖。(圖片來源:羅賓·迪內爾/卡內基科學研究所)
中子星可以孤立存在，只能通過它們的表面溫度來探測，或者它們可以與“普通”恒星共存，經常吸走它們的物質，或者在某些情況下，它們可以與另一顆中子星存在于雙星系統中。
在這種情況下，根據愛因斯坦的廣義相對論，當這些雙星圍繞彼此運行時，它們會在時空中產生引力波。就像落在中子星表面的物質賦予它角動量一樣，當引力波從雙星中子星波動開時，它們將角動量帶出系統。
角動量的損失導致中子星靠得更近，在這種情況下，它們輻射出更強的引力波，增加了角動量損失的速度。
最終，這導致中子星碰撞并合并，產生一顆更大的中子星。這個猛烈的事件，一個被稱為kilonova的爆炸，在長達10億年的前奏之后，恒星殘余物彼此圍繞著跳舞，持續了僅僅幾毫秒 ?；逯Z瓦釋放的能量相當于太陽的數百萬倍，發出強烈的空間扭曲引力波爆發和短暫但強大的伽馬射線爆發，并負責鍛造金、銀和鉑等重元素。
根據進入這個基洛諾瓦事件的中子星的大小，結果可能是一個“超大質量中子星”，由于中子簡并壓力，它太大了，無法保持穩定，因此在不到一秒的時間內迅速坍縮，產生黑洞。
2017年，天文學家首次觀察到引力波，時空結構中的波紋，以及中子星之間碰撞發出的向外輻射的光。來自位于130光年之外的碰撞雙星中子星的信號，驗證了“混合信使天文學”的效用，即在傳統天文學中使用的光以外的不同輻射形式中觀察天文物體和事件的實踐。
通過這種強大的技術組合，天文學家即將發現更多關于這些碰撞的本質，以及中子星，它們核心的極端死星。

藝術家的插圖，兩顆中子星相撞，產生基洛諾瓦爆炸可能鍛造重元素，如金，銀和金。(圖片鳴謝:NASA/CXC/西北大學/A. Hajela等人；插圖:美國航天局/CXC/魏斯)
中子星常見問題專家解答
我們問了西北大學天文學博士生Genevieve Schroeder一些關于中子星的常見問題，她是天體物理學跨學科探索和研究中心(CIERA)的一員，研究宇宙中一些最強大和最暴力的事件。
吉納維芙·施羅德
天文學博士生吉納維芙·施羅德是西北大學天文學博士生，也是天體物理學跨學科探索和研究中心(CIERA)的成員
中子星有多大？
中子星的直徑約為12英里(20公里)，大約相當于一個城市的大?。∥頤強梢醞ü崴雇毒島蚗MM-Newton望遠鏡的X射線觀測來確定半徑。我們知道，我們銀河系中的大多數中子星的質量與我們的太陽差不多。然而，我們仍然不確定中子星的最高質量是多少。
我們知道至少有一些是太陽質量的兩倍，我們認為最大質量是太陽質量的2.2到2.5倍。我們如此關注中子星的最大質量的原因是，我們非常不清楚物質在如此極端和密集的環境中是如何表現的。
因此，我們必須利用對中子星的觀測，如它們確定的質量和半徑，結合理論，來探索最大質量的中子星和最小質量的黑洞之間的邊界。
對于像LIGO這樣的引力波天文臺來說，找到這個邊界真的很有趣，他們已經在這個質量是太陽質量的2到5倍的“質量差距”內檢測到了物體的合并。
為什么中子星在大小和質量上似乎沒有超過這些極限？
中子星密度極高，質量是我們太陽的一到兩倍，太陽比地球寬100倍，質量大33萬倍，被推到一個城市的大小。
如果我們在那么小的空間里塞進更多的物質，重力就會勝出，整個物體就會坍縮成黑洞。所以中子星存在于這種中子互相推擠(稱為中子簡并壓)和引力的珍貴平衡中。
中子星“活”多久？
原則上，中子星可以“永遠”存在，因為它們是大質量恒星的最終狀態之一，如果你愿意，可以稱之為恒星尸體。然而，如果它們有一個雙星伴星，像另一個中子星或黑洞，它們可能最終合并并產生一個黑洞或更大質量的中子星。
你的工作與中子星有什么關系，為什么它們如此迷人？
總的來說，我的研究集中在伽瑪射線暴的射電觀測上。我研究的一個方面是追蹤中子星碰撞產生的伽瑪射線暴。我們可以利用從無線電到X射線的觀測來追蹤這些爆炸產生的光，這被稱為“余輝”通過對余輝進行建模，我們可以了解爆炸，這可能會導致關于合并的中子星的信息，以及合并的最終產物，預計這將是一個更大質量的中子星或黑洞。
如果合并產生一個更大質量的中子星，它將有一個非常強的磁?。?被稱為“磁星”這種磁星會在它旋轉時激發來自合并的噴出物，這反過來會產生射電輻射，并在合并數年后達到峰值。我研究的第二個方面是尋找這個晚起的無線電信號，以確定是否有磁星產生。到目前為止，我們還沒有探測到任何這些無線電發射，但沒有探測到仍然有助于我們限制中子星的最大質量，這是天文學中一個主要的未解問題。
有哪些事件與中子星有關？
是什么讓這些成為宇宙中最強大的事件？
超新星與中子星聯系在一起，因為它們是產生它們的爆炸事件。它們如此強大是因為恒星失去了對重力的抵抗，最終爆炸了！超亮超新星被認為如此明亮是因為一顆磁星是過量輻射的能量來源。
此外，當中子星與另一顆中子星或可能的黑洞碰撞時，會發生一些伽馬射線爆發！這些事件是如此強大，因為它們涉及撕裂中子星和碰撞兩個非常巨大和密集的物體在一起。
一些快速射電爆發也與中子星有關，因為我們已經探測到來自我們銀河系內的中子星，特別是磁星的快速射電爆發。所以總的來說，中子星在我們能觀察到的眾多瞬變中是相當普遍的。

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