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    中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

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      爱因斯坦

      【博科园-科学科普-留言评论或建议有惊喜哦~( ^_^)】中子星是恒星演化到末期由引力崩溃发生超新星爆炸之后可能形成的的少数天体之一,质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体,其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。绝大多数的脉冲星都是中子星,但中子星不一定是脉冲星,中子星也是除黑洞外密度最大的星体。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      中子星是宇宙中密度最大的物质集合之一,但它的质量是有上限的(非旋转中子星质量不超过2.6倍太阳质量),超过这个上限中子星就会坍缩进而形成一个黑洞。图片版权:ESO/Luís Calçada

      宇宙中没有静止的物体,我们所知道的每样事物几乎都在以某种方式旋转着。所知道的月球和每一颗行星恒星都是绕着轴旋转,这意味着在物理现实中没有一个真正完美的球体。作为一个静力平衡旋转的物体,地球的赤道凸起,两极略扁,由于其每天自转一次地球的赤道轴的距离比极轴要长26英里(42公里),而且有很多东西旋转得更快,那旋转最快的物体是什么呢?

      脉冲星具有不可思议的自转速度,那么它会将物体扭曲多少,以何种方式使物质脱落还是重力能够将所有物质束缚在物体上?任何东西旋转的速度都是有限的,而脉冲星也不例外,其中也有些是非常特殊。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      Vela脉冲星就像所有脉冲星一样,是中子星中的一个例子。它周围的气体和物质非常普遍,并且能够为中子星的脉冲行为提供燃料。图片版权:NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al

      脉冲星或旋转中子星拥有宇宙中任何物体最不可思议的特性。是超新星爆炸后核心坍缩成的一个固体球体。中子星质量超过太阳质量,但直径只有几公里,是已知的最密集的物质形式。虽然脉冲星被称为“中子星”,但它们大约只有中子的90%;所以当它旋转时构成中子星的带电粒子会快速移动,产生很强大的磁场。当周围的粒子进入这一磁场时带电粒子会加速,产生一股由中子星的极点发出的辐射,当其中一个极点指向地球时就会看到脉冲星的“脉冲”。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      由中子构成的脉冲星有一个质子和电子的外壳,并形成了一个非常强的磁场,其磁场大小是太阳表面的万亿倍。注意自旋轴和磁轴是有些偏差的。图片版权:Mysid of Wikimedia Commons/Roy Smits

      大多数的中子星并不像脉冲星那样会被观测到,因为它们中的大多数并非巧合地与我们的视线重合。也许所有的中子星都是脉冲星,但只看到其中一小部分是脉冲的。然而在旋转中子星中存在着许多可观测到的旋转周期。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      这个星云的核心是一颗年轻的大质量恒星,它最近在一次壮观的超新星爆炸中死亡。由于脉冲中子星快速旋转,它呈现出这些特征性波纹。这颗年轻的脉冲星只有1000岁,每秒旋转30次,是普通脉冲星的典型特征。图片版权:NASA / ESA

      普通脉冲星包括绝大多数的年轻脉冲星,以百分之几秒到几秒的时间来完成一个完整的旋转周期,而年龄越大速度更快,“毫秒”脉冲星旋转速度要快得多。如某些脉冲星每秒钟旋转766次,而在2000年的超新星遗迹RCW 103的中心发现的最慢的脉冲星需要6.7小时才能绕轴旋转一次。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      在超新星遗迹RCW 103的核心有一颗缓慢旋转的中子星同时也是磁星。2016年来自各种卫星的新数据证实,这是迄今为止发现的旋转最慢的中子星。图片版权:X-ray: NASA/CXC/University of Amsterdam/N.Rea et al; Optical: DSS

      几年前有一个错误的故事围绕着一个缓慢旋转恒星,现在是人类已知的最球状的物体。虽然太阳非常接近一个完美的球体,仅10公里的赤道平面超过极地方向(或与一个完美的球体只有0.0007%的差距),新观测的KIC11145123恒星是太阳大小的两倍多,但和太阳有一个区别就是它的赤道和两极之间仅3公里。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      最慢旋转的恒星开普勒/KIC 1145123,其极地和赤道直径仅相差0.0002%。但是中子星可能会扁平的多。图片版权:Laurent Gizon et al/Mark A Garlick

      虽然与完美球体有0.0002%的偏离是很好的,但慢速旋转的中子星,也就是1E 1613,如果它直径约为20公里,那么赤道和极地半径之间的差别就近似于一个质子的半径:小于一万亿分之一的平坦化。也就是能确定:中子星的旋转动力学决定了它的形状。但事实可能并非如此,从另一面看待旋转速度最快的中子星是很重要的。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      中子星的亮度非常小也很低,但是它很热,并且需要很长时间才能冷却下来。如果眼睛足够好也就会看到它在宇宙中闪耀着数百万倍的光芒。图片版权:ESO/L. Calçada

      中子星拥有异常强大的磁场,正常的中子星大约有1000亿高斯,最强大的大约在1万亿到100万亿高斯之间。(相比之下地球磁场约为0.6高斯)当旋转作用将中子星压成一个扁球体的形状时,磁场会产生相反的效果,将中子星沿着旋转轴加长,形成一个类似足球的形状,被称为长椭球体。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      扁球体(左图)和(右图)椭球体,它们一般可以被变成扁平或拉长的形状;球体的形状可以根据作用于它们的力而发生变化。图片版权:Ag2gaeh / Wikimedia Commons

      由于引力波的限制,可以确定中子星因其旋转变形了不到10-100厘米,这意味着中子星在大约0.0001%的范围内是完美的球形。最快的中子星以766赫兹的频率旋转或旋转一次仅用0.0013秒。

      虽然有很多方法可以计算扁平率,即使是最快的中子星,但还没有一致的方程进行计算。这令人难以置信的速度约16%的光速在赤道面移动,只有0.0000001%会导致球体平化,这离逃逸速度几乎没有任何距离,中子星表面上的一切都会在那里停留。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      在合并的最后时刻,两颗中子星不只是发射引力波,也会引发一场巨大的爆炸,从而造成电磁波的回声和一系列沉重的元素朝向周期表的高处飙升。图片版权:University of Warwick / Mark Garlick

      然而当两个中子星合并后,这可能是我们所遇到的旋转中子星(合并后)最极端的例子。根据标准理论:这些中子星应该坍缩成一个质量是太阳质量的2.5倍黑洞。但如果这些中子星迅速旋转,它们就会在中子星状态中停留一段时间,直到通过引力波辐射出足够的能量,才能到达临界不稳定状态。这可以增加一个正常中子星的质量,至少暂时增加10-20%。

      当观察到中子星的合并以及它的引力波时,这正是我们所相信的。那么合并后的中子星的旋转速率是多少?它的形状扭曲了多少?合并后的中子星发出的引力波是什么类型的?

      得出答案的方法是结合多种质量范围内的中子星合并事件:低于2.5倍太阳质量会产生一个稳定的中子星,2.5到3倍太阳质量会产生一个临时的中子星而后变成一个黑洞,3倍太阳质将直接变成黑洞。通过更快地捕捉引力波来了解更多信息,并能够在合并之前预测出源头。随着LIGO/处女座和其他引力波探测器变得越来越灵敏,未来的研究也会越来越好。

      中子星是完美球体吗?是什么影响它的形状?

      两颗合并中子星的概念图。双中子星系统的融合,但是发现最近的轨道连接直到近1亿年后才会合并。在此之前LIGO可能会发现更多其他类似事件。图片版权:NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

      在此之前要知道中子星,尽管可能会从它快速旋转中思考,但由于它们的密度、又非常坚硬。即使有很强的磁场和相对论的旋转,也很可能是我们在整个宇宙中发现的宏观最完美的球体。除非个别粒子被证明是更完美的球体;旋转最慢最低磁场的中子星是寻找自然而生的最球状天体的地方。当中子星的寿命足够长,并且很稳定的时候,它将随着时间的推移慢慢改变其自转速率。据我们所知中子星上面的一切东西都一直处于某种状态。


      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 作者:Ethan Siegel(天体物理学家)

      • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:Forbes science

      • 编译:公子世无双

      • 审校:博科园

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    • Lv.25天狼星B
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      飞越地球
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      当你凝视星空的时候,群星也在注视着你。

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