宇宙中密度最大的物體, 直徑只有10公里, 卻比地球還重

筆者 東邪

學過中學物理的朋友應該知道質量和密度以及體積的關係，一個物體的質量等於它的密度乘以體積，因此密度和體積都可以影響物體的質量。兩樣相同重量的物體，它們的體積可能不同，比如一千克的銅在體積上要比一千克的水要小，因為銅的密度要比水大。在地球上，金屬的密度普遍都比較大，例如銅的密度達到每立方厘米8。94克，金的密度是19。32克。

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那麼地球上密度最大的物質是什麼呢？答案還是金屬物質，它就是密度達到每立方厘米22。59克的鋨，而水的密度才達到每立方厘米1克，也就是說在同樣的體積下，鋨的重量比水重22。59倍。雖然鋨是地球上密度最高的物質，但它並非宇宙中密度最高的物質。地球只是茫茫宇宙中的一顆行星，銀河系內還存在其他人類尚未接觸過的極高密度物質。

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那麼宇宙中密度最大的物體是什麼？答案是

中子星

。中子星是什麼樣的天體？什麼天體會演化成中子星呢？

什麼是中子星？

中子星的發現還要從中子的發現開始說起，1932年查德威克發現中子，之後蘇聯物理學家朗道提出宇宙中存在一種特殊天體，它完全由中子組成，雖然朗道只是在理論上提出了中子星存在的假設，但他是一個提出中子星概念的科學家。1934年，科學家巴德和茲維基在《物理評論》上發表文章，指出某類特殊的

恆星

爆發後可以演化成中子星。

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1939年，物理學家奧本海默和沃爾科夫透過定量計算建立起第一套中子星模型，並且發現當老年恆星的質量超過太陽質量10倍時，它最終的結局有可能就是中子星。中子星最終的確定是在1967年，天文學家偶然從宇宙中接收到一種奇怪的電波，該電波每隔1~2秒左右就出現一次，就像人的脈搏一樣，這讓天文學界為之震驚。

到了1974年，英國科學家修伊士弄清楚了這種奇怪電波的來源，發現它們是一種天體發出的訊號，並將該天體命名為

脈衝星

，他也因此發現獲得了當年的諾貝爾獎。從此中子星從理論走向了現實，後來各國科學家都在努力探索宇宙中的中子星，至今已經發現了超過1000顆中子星。

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根據百科資料顯示，

黑洞

是宇宙中密度最大的星體，中子星次之。這兩類天體的前身都是恆星，超大質量恆星演化到末期後發生了重力崩潰，進而引發超新星爆炸，最後演化成黑洞或中子星。2007年，歐洲天文學家利用伽馬射線天文望遠鏡發現了目前旋轉速度最快的中子星，它每秒鐘可以繞著自轉軸旋轉1122圈，這推翻了之前科學界提出的“天體轉速極限是700圈”的結論。

中子星除了具有極高的密度之外，它的表面溫度和中心溫度也非常高。探測資料顯示，中子星的表面溫度高達100萬攝氏度，中心溫度高達1500萬攝氏度。

中子星有哪些特點？

中子星第一大特點：擁有極高的密度。目前已經發現的中子星裡，大多數星體的體積並不大，但質量非常大，原因就是它們的密度很高。目前研究發現，中子星的密度高達每立方厘米1億噸以上，這是什麼概念呢？一顆中子星的直徑可能只有10公里左右，但它的質量已經超過地球的質量。

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一立方厘米相當於一個人的一個手指頭大小，這種體積的中子星質量就達到幾十億噸。如果把一個手指頭大小的中子星放在一輛重型卡車上，這輛卡車瞬間就會被壓垮。如果拿地球的密度進行比較的話，地球需要在保持質量不變的情況下將體積縮小到直徑只有40米才能趕得上中子星的密度。

中子星的第二大特點是轉速極高。前面講到了中子星繞軸線旋轉的速度可以達到每秒鐘上千圈，這種自轉速度是地球自轉速度的1億倍。為什麼中子星的旋轉速度如此快呢？科學家透過研究發現，中子星保留了母恆星大部分的角動量，但是半徑只是母恆星極小量，因此轉動慣量的減少導致了轉速的增加。

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中子星的第三個特點是高強度的能量輻射。百科資料顯示，中子星的能量輻射是太陽的100萬倍，大約是3。826*10的32次方。中子星一秒鐘輻射出去的能量相當於人類幾十萬年的用電量，這種能量輻射龐大到顛覆人類的認知。中子星在釋放出高能輻射的同時也產生了極強的引力，這種引力也僅次於黑洞的引力。

哪些天體最終會變成中子星？

雖然中子星的前身是恆星，但並非所有的恆星最終都能演化成中子星，大多數恆星最終只能演化成白矮星，少數恆星可以演化成中子星或黑洞，這與它們的質量有關。恆星的演化和人類生命演化歷程一樣，會經歷青年、中年和老年三個階段。青年時期的恆星以穩定的光度在不斷髮光發熱，它的體積和溫度不會發生明顯的波動，因此這個時期的恆星稱為主序星。

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當恆星內部的氫因為核聚變反應而被消耗殆盡後，恆星隨即進入中年期。中年期的恆星會經歷多次收縮膨脹，因此它的光度也會發生週期性變化，到了中年末期其體積會不斷膨脹，最後變成紅巨星或紅超巨星。演變成紅巨星或紅超巨星是恆星進入老年期的標誌，這個時候恆星的表面積不斷擴大，整個恆星的光度也達到峰值。

老年期過後恆星將迎來恆星時期的終結，其內部由於將核燃料消耗完了，引力發生急劇收縮，從而導致引力坍縮。大質量恆星和超大質量恆星會發生超新星爆發，然後演化成中子星或黑洞。而小質量恆星和中質量恆星則演變成白矮星。宇宙中大多數恆星最終都只能演化成白矮星，因為它們的質量比太陽還要小。

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那麼太陽最終會演化成中子星嗎？答案是不能的，因為太陽的質量還達不到要求。根據質量分類要求，大於0。08倍太陽質量，小於太陽質量的恆星將演變成紅矮星；大於太陽質量但小於8倍太陽質量的恆星將演變成白矮星。只有大約8倍太陽質量的恆星才有機會演變成中子星。由此可見，太陽是沒有機會演變成中子星的。

人類已經在宇宙中發現了哪些中子星？

2007年，歐洲科學家發現了目前為止旋轉速度最快的中子星，並將其編號為J1739-285。J1739-285每秒鐘旋轉1122圈，而之前科學家們認為中子星的旋轉速度極限是每秒鐘700圈，因為超過這個極限的天體在理論上會被強大的向心力摧毀，或演化成黑洞。然而之後科學家發現了旋轉速度達到每秒鐘716圈的天體，J1739-285的出現再一次重新整理了這個紀錄。

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實際上西班牙天文學家庫克勒早在1999年的時候就發現了J1739-285，但當時無法確定它的轉速，因此他的發現並沒有得到廣泛的認同。到了2010年，英國《每日郵報》報道，天文學家發現了目前為止宇宙中最大的中子星，並將其編號為“PSR J1614-223”。根據報道，這顆中子星的質量是太陽的兩倍，但直徑相當於地面的一個小城市，這說明它擁有極高的密度。

中子星和脈衝星有什麼區別？

人類第一次發現中子星是在1967年，劍橋大學卡文迪許實驗室的安東尼·修伊士教授的研究生喬斯林·貝爾在檢測射電望遠鏡訊號時發現了一些有規律的脈衝訊號，並且發現它們的週期十分穩定。在接下來半年的時間裡，天文學界又陸續發現了多顆能發出這種訊號的天體，並將其定義為脈衝星。

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到此你可能認為脈衝星和中子星是同一種天體的兩個名字，但其實不然，因為所有的脈衝星都是高速自轉的中子星，但並非所有的中子星都是脈衝星。簡而言之，脈衝星是中子星的分支，有些中子星無法發出脈衝訊號，因此這類中子星就不是脈衝星。所有中子星都具有強磁場，因此運動時帶電粒子會發出同步輻射，和中子星一起轉動的輻射就是射電波束。

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當射電波束掃過地球時，地面檢測裝置就能接收到一個脈衝，這就是脈衝星。如果中子星釋放出的輻射無法與其同步旋轉，那麼它就不是形成穩定週期的脈衝星。脈衝星能夠持續發出無線電脈衝，而且兩個脈衝之間的間隔十分穩定，準確度甚至可以和原子鐘相提並論。目前科學家還無法弄明白為什麼脈衝星能夠發射出週期如此穩定的訊號。

在人類的認知中，黑洞是宇宙中最可怕的天體，一是因為它反射任何光線，因此人類無法透過肉眼觀測到它，二是因為它具有最強的吸引力。實際上中子星的可怕程度僅次於黑洞，如果說黑洞是隱藏的坑，那麼中子星就是明顯的坑。