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    一立方厘米中子星物質來到地球,會在大氣層燒完,還是會砸穿地球?
    來源:時空通訊
    發布時間:2021-09-10
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    本文基于回答網友類似問題。

    中子星物質離不開中子星環境,更不會來到地球,因此不存在燒不燒得完的問題,這個問題無解。

    中子星不屬于普通恒星范疇,是恒星死亡后的殘骸,也可以說是尸骸。恒星尸骸有4種,即黑矮星、白矮星、中子星、黑洞。黑矮星是小質量恒星紅矮星的尸骸,由于紅矮星壽命超長,至今還沒有這種尸骸存在;白矮星是太陽類中小恒星的尸骸,宇宙中有不少,大約占恒星總數的約10%;中子星是太陽質量8~30倍中大質量恒星的尸骸,黑洞是太陽質量30~40倍以上恒星死亡后的尸骸。

    白矮星和中子星物質是特殊的簡并態物質

    所謂簡并態,就是極端壓力下,組成地球常態物質的原子被壓垮了,成為一種特別的致密物質。原子本來是由原子核和外圍電子組成的,原子核占據了原子99.96%的質量,體積卻只有原子的數千億到萬億分之一。

    這就是說原子核和電子外殼之間,有一個巨大的空間,這樣原子一被壓垮,物質就變得非常致密。這就是白矮星和中子星物質密度極大的原因。

    根據量子力學的泡利不相容原理,費米子粒子都有相互排斥的性質,就像小孩子玩耍不愿意擠在一起,一靠近就相互排斥。電子、質子、中子都屬于費米子粒子,因此當原子電子外殼被壓垮后,這些基本粒子就相互排斥,盡量不讓大家相互靠攏,這種相互排斥會形成一種壓力,就叫簡并壓。

    簡并壓越到深層次越大,白矮星是靠電子簡并壓支撐著巨大引力壓的,也就是原子的電子外殼還存在,只是被壓縮小了,壓縮到一定程度,電子與電子之間不相容就形成了某種支撐力,抵御住了引力壓力,讓原子核與電子之間還保持著一定空間,原子核就還保持完整。這樣,白矮星的密度就只有1~10噸/cm^3,相對中子星就要差一大截。

    當白矮星達到錢德拉塞卡極限,也就是太陽質量的1.44倍時,電子簡并壓就無法支撐增大的引力壓了,電子簡并壓就被摧毀了,電子與原子核之間的空間就沒有了,電子無可奈何地被壓縮進了原子核。

    電子帶負電,原子核里的質子帶正電,原子外圍電子數與原子核質子數正好一致,這樣正負電荷一中和,質子也變成了中子。原子核本來就是中子和質子依靠強力捆綁在一起的,現在質子也變成了中子,整個星球就變成了全部由中子組成的一個大中子核,由此,這個星球就是中子星。

    中子之間有著比電子更強大的中子簡并壓,勉強支撐著中子星的形態。因此中子星的密度就相當原子核,甚至比原子核還要緊密,這種物質就被叫做中子簡并態物質,

    白矮星體積約有地球大小,質量在太陽0.5倍以上到1.44倍以下;中子星質量達到了太陽的1.44倍以上到3倍左右,體積半徑卻只有10km左右,因此密度就比白矮星高多了,達到10億噸左右1立方厘米。

    當中子星的質量更大,達到奧本海默極限,也就是約3個太陽質量以上時,這種依靠中子之間的斥力形成的中子簡并壓也就支撐不住強大的引力壓了,就會突然被壓縮,專業的說法就是坍縮或塌陷,成為一顆更深層次簡并壓支撐的夸克星,或者直接坍縮成一個黑洞。

    迄今為止,人們并沒有發現夸克星的存在,因此一般認為中子星質量超越奧本海默極限,就會直接坍縮成一個黑洞。

    所謂錢德拉塞克極限和奧本海默極限,以及泡利不相容原理,在過去文章中已多次有過介紹,這里就不贅述了。

    中子簡并態物質不可能脫離中子星存在

    從上述白矮星和中子星形成的條件,我們可以得出不管是電子簡并態物質還是中子簡并態物質,都不可能脫離它們存在的條件而獨立存在。因為一旦脫離了特定的條件,它們存在的巨大引力壓就不存在了,這些物質就無法保持簡并壓,而是會迅速地膨大恢復到原子狀態,成為我們地球上存在的由中性原子組成的正常物質。

    而白矮星或中子星,都是環境極其惡劣的天體,從目前人類掌握的科學技術來說,只能遠遠地觀測,而無法靠近。尤其是中子星,是一種極其可怕的天體,其引力僅次于黑洞,表面重力可達地球的數千億倍,逃逸速度最高需要達到一半光速,也就是15萬km/s。

    不要說飛船,如果一個人被中子星引力捕獲拉拽過去,最終高速撞上中子星表面的能量可達數億噸烈性炸藥的威力,也就是約2萬顆廣島原子彈威力。即便這種恐怖威力的爆炸,在中子星上也會被其強大的重力所壓制,掀起的波瀾高度還不如一個塵埃。

    中子星的溫度可達數千億到上萬億度,表面大氣壓比地球地心壓力大10^21倍(10萬億億倍),磁場比地球強大數十億倍。由于中子星繼承了原恒星的角動量,一般都高速旋轉,最快每秒可達數千轉。由于其磁極與自轉軸有一定的偏離角度,因此強大的電磁脈沖就像旋轉的燈塔一樣,不停地向太空掃射,掃過地球,就被射電望遠鏡所捕捉,就成為被發現的脈沖星。

    因此所謂脈沖星,就是中子星掃過太空的電磁脈沖信號被人類捕捉后的名稱。

    中子星在這樣強大的重力和壓強等極端條件下,表面光滑得連一個灰塵突起都沒有,怎么會有中子星物質脫落呢?

    中子簡并態物質脫離中子星后的變化

    迄今為止,比較確定的只有一種方法能夠讓中子簡并態物質脫離中子星,這就是中子星與中子星相撞。至于中子星通過吸積質量達到上限,會不會發生爆炸,將中子簡并態物質拋離中子星,迄今還沒有這方面的觀測數據和研究數據。

    2017年8月17日,科學家們發現距離我們1.3億光年的兩顆中子星相撞引發的引力波,并觀測到了強大的伽馬射線暴。通過科學建模,科學家們認為這個編號為GW170817的引力波事件,兩顆中子星撞下的碎塊,形成了了一些氫氦等輕元素,以及金銀銅鐵鎢鎳鉛等重金屬元素物質,其中的黃金就有300個地球質量之多。

    不要以為300個地球質量很大,對于中子星的損失來說很小。中子星的質量下限為1.44倍太陽質量,而地球質量只有太陽的33萬分之一,兩顆中子星相撞撞下了300個地球質量,也不過它們質量總和的數千分之一而已。

    可見,中子簡并態物質一脫離中子星,失去了強大引力壓的束縛,就會變成常態物質。但它們不是一脫離就突然變成的,而是有一個過程。首先,被撞擊脫離的中子簡并態物質,一離開中子星引力壓力的束縛,就會急劇膨脹,膨脹體積達到原先的數千到上萬倍,這種膨脹當然會伴隨著爆炸,這是第一次爆炸。

    第一次爆炸后,此時的物質還不是常態物質,只是成團的中子集合群,依然是中子態。

    此時它們內部正發生著貝塔衰變。這個過程大概需要15分鐘。當這個過程完成后,會發生更大的膨脹,也就是更加猛烈的爆炸,在爆炸中物質恢復到常態,形成了由中性原子組成,各種地球上存在的物質了。

    一般認為,地球上的黃金等貴重金屬,主要就是來自宇宙這種事件。這些貴重金屬飄蕩在宇宙中,在地球形成時凝聚進入地球深處,或以隕石雨轟擊方式進入到地殼中。到了今天,這些漂浮在太空的貴金屬,還會以流星隕石的方式掉落到地球上。

    因此,中子星物質不可能來到地球大氣層

    說到這里,大概大家應該已經明白了,中子星物質為啥不可能進入地球大氣層了吧?現在發現,距離我們最近的中子星,也有數百到上千光年,中子星物質脫離中子星的條件只有中子星相撞,撞出的碎塊15分鐘就會衰變成正常物質,因此地球上空怎么可能會有那種極高密度的中子簡并態物質光臨呢?

    既然沒有,一定要說進入大氣層會怎么樣,那就沒多少意思了。但有些人硬要堅持窮追不舍,那么我就幻想一下,真有那么一湯匙中子星物質在大氣層衰變,會是個什么后果呢?

    那肯定就不是燒不燒得完中子星物質,而是會不會把地球燒完的問題了。

    我們假定這塊中子簡并態物質為1立方厘米,一般來說,中子星物質發生衰變轉化為物質,會發生質量虧損,這個虧損和核裂變差不多,約為0.1%。若這個中子星物質密度在10億噸/cm^3,衰變轉化為常態物質的過程虧損質量則約100萬噸。

    虧損的物質會轉化為能量釋放出來,根據愛因斯坦質能方程E=MC^2來計算,這個能量約為9*10^25J(焦耳),相當2.15億億噸TNT炸藥的爆炸威力(每噸炸藥能量約為4184000000J),也就是約16500億顆廣島原子彈(每顆約13000噸TNT當量)同時爆炸的威力。

    世界各國現在擁有的核彈頭加起來總當量也就約100億噸TNT當量,這1立方厘米中子星物質釋放出來的能量相當人類擁有全部核彈總量的2億多倍,或相當于215顆6500萬年前撞擊地球,導致恐龍滅絕小行星的撞擊威力,這樣的爆炸,菌類恐怕都被炸沒了,就別說人類了。

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