宇宙中密度最大的物質能大到什麼程度?每立方公分重達20億噸

网瘾少女 2022/01/01 檢舉 我要評論

金屬普遍有一個特點,那就是 密度比起其他的常見材料來說更大。密度帶來的最直接不同,就是 相同體積下的質量不同。金屬的種類不同,其密度也有巨大差別,比如我們經常用來製造負重、鉛球的金屬鉛,就是一種密度很大的金屬。

但鉛並不是密度最大的金屬, 目前人類在地球上發現的,密度最大的金屬是鋨每立方公分的質量大約是22.59克。但實際上地球上不少金屬都是初生階段經由 隕石和小行星帶來的,太空中的物質明顯更加豐富。

密度最大的物質

或許我們已經覺得金屬的密度已經足夠大了,但是和宇宙中的某一種物質比起來那簡直是小巫見大巫。我們的地球處在一個銀河系的角落,圍繞著恒星 太陽轉動,這顆恒星對于我們來說有著無可替代的作用,但是 實際上卻只是恒星中的「小個子」,密度也不算大

真正的大密度天體是中子星,這種物質的密度是多少呢?我們使用地球上的「克」作為單位已經無法衡量,真正屬于它的單位應該是 「億噸」。天體的重量達到億噸很常見,但你見過僅僅 一立方公分就達到億噸之重的物質嗎?中子星的密度最高就可以達到 每立方公分20億噸

或許有人對于這個重量難以想象,我們就拿地球上常見的物質水來說,一立方米的水的重量大約是一噸,20億噸就是20億立方米的水,大約是2立方千米。假設一個箱子是2立方千米大,那麼其中可以 容納160億人

然而就是這樣一個對于水來說無比誇張的單位質量,卻可以 「濃縮」在一立方公分之中,這就是中子星。既然中子星的密度這麼大,是不是說明宇宙中其他的星體密度也很大呢?其實我們在研究之後會發現,並不是這樣, 中子星屬于一個「例外」

其他天體的密度

就拿我們最為熟悉的 地球來說,它主要是 由岩石構成,其密度大概比水更大一點,不過也沒有本質上的區別, 大約每立方公分5.5克左右太陽是我們的恒星,主要由氫原子和氦原子構成,其密度大約是 每平方公分1.409克,而之所以太陽的質量比地球大那麼多,主要是因為它的體積太大了,因此 總質量也達到了地球的33萬倍

恒星大多是氣體構成,因為這樣才能夠讓它們持續進行 核聚變反應釋放出光和熱。但是,當恒星經過了主序星階段之後,密度會再一次發生變化。宇宙中的一些年老恒星看起來體積不大,但質量十分驚人,比如我們發現的 R136a1星,就 是太陽質量的兩百多倍

究其原因,是因為恒星在到達了一定的年齡之後,會 因為物質能量的消耗而出現引力坍縮,這時候的 密度會大幅增長,所以看起來小,實際質量卻大。根據能量守恆定律, 恒星本身的質量並不會產生改變,但是密度卻會隨著狀態不同而改變

因此我們可以這樣說, 這些密度遠遠大于太陽的天體,很有可能在某個階段的體積也要遠遠大于太陽。那麼,在上文中我們提到的密度最大的天體,每立方公分重達20億噸的中子星,其「前世今生」又是怎樣?

中子星是怎麼產生的?

就像是人會經歷童年、青年、中年、老年一樣, 恒星也並非是一種永恆不變的天體,它們也會在不同的「年齡」中呈現出不同的狀態,對于外界的影響也各有不同。就拿我們的恒星太陽來說, 現在的太陽已經50億歲了,它作為主序星的壽命已經過去了大約一半

在50億年之後,太陽中的 氫會燃燒殆盡,而它的 體積將會持續擴大,變成一顆熾熱的 「紅巨星」。等到那個時候,太陽系的很多行星都會被變大的太陽所 吞噬,其中也包括我們的地球。在擴大之後,恒星會持續燃燒,直到又一次的燃料用盡,那麼它們就會開始 坍縮變成一顆密度更大、體積更小的天體

坍縮之後,由于星球內部能量的高度集中,它們最終會產生 超新星爆發,大量的物質將會以極快的速度被拋出,在經過一段時間之後只剩下了其中的 「內核」,而這個內核將根據恒星本身的大小 轉變為不同的星體其中的一種可能性就是變成中子星

要最終形成中子星, 這顆原本的恒星的大小不會超過太陽20倍,否則就會變成另外一種完全不同的宇宙物質—— 黑洞。下面,我們就來介紹一下中子星的特點和它的發現歷史吧。

中子星的發現

在天文學分類上,中子星介于白矮星和黑洞之間,在上世紀60年代才被人們所認知。其實 早在上世紀30年代,中子星可能存在的假想就被科學家提出來了,但這終究是一種假想,人們並沒有真的發現它。

中子星最終也不是被人「看到」的,因為它的密度非常大,所以體積也相對較小,大約十公里直徑的中子星就和太陽的質量相當,如果體積大到了一定程度,那麼就會成為黑洞了。中子星中的一部分會變成 「脈衝星」,它會 持續向著宇宙發射出強烈脈衝波,這樣的信號在60年代被人捕捉到,人們這才證實它的存在。

中子星並不是永恆的。 它在運動的過程中依然在不停地釋放能量,所以我們才能夠接收到它發射的脈衝波。因為中子星並不是每一處都有脈衝,因此我們接收到的信號並不連續,而是隨著中子星的轉動而改變。

和恒星不同,中子星的表面不是液態或者氣態,而是一個 固態外殼,一般是 等金屬構成,而在內部是液態的中子流體。中子星的 能量輻射極為驚人,只需要 一秒鐘釋放的能量,就可以讓整個地球上的人類使用數十億年,足以見得總量之大。

在中子星釋放完自己的能量之後,它會變成另一種星體, 黑矮星。理論上來說,黑矮星是一種恒星燃燒殆盡之後的殘骸,它完全不發光,也不像黑洞那樣會「吸收」周圍的一切,因為它已經不會再向外釋放出能量,處于一種 完全「冷卻」的狀態。

遺憾的是,這種外星體 目前只存在于理論當中,因為根據科學家們的推測, 黑矮星大約需要恒星經過200萬億年才會完成「蛻變」,但是 我們的宇宙僅僅只有137億歲而已,離形成黑矮星的時間還十分久遠。

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