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白矮星和中子星是如何形成的,上面的物质什么样?

原标题:白矮星和中子星是如何形成的,上面的物质什么样?

白矮星和中子星是恒星生命周期结束后的产物,虽说是恒星的墓碑,却并非一片死寂,相反,它们拥有极为强大的引力,会对周围的天体产生拉扯,对恒星进行吸附,构成它们的物质与地球上所见的一切物质都不相同,那么这些有趣的天体是如何形成的呢,上面的物质又是什么样子的呢?

在元素周期表中有118种已知的元素,这些元素性质各异,但有一点却是相同的,那就是它们都以原子或分子的形式存在着。原子是由原子核与核外电子所构成的,而分子又是由原子所构成的。在地球上,我们可以通过增大压力来使物质进行压缩,但如果想要压碎原子,那就不可能了。原子为什么无法被压碎,是什么支撑了原子的结构呢?从宏观视角来看,物质都是充实的,比如在我们看来,一个铁块是毫无缝隙的,但如果我们将其放在显微镜下就会发现,构成铁块的金属原子之间存在着极大的空隙,可以说空隙所占的面积比原子所占的面积还要大。

白矮星和中子星是如何形成的,上面的物质什么样?

既然空隙如此大,原子是如何保持自身结构不被压碎的呢?是由于电磁作用力,因为电磁作用力为原子提供了一种斥力,而就是这种斥力支撑了物质的结构。

所以无论我们如何对物质施加压力,只会使得原子排布更加紧密,而原子本身的结构却不会发生丝毫改变。比如在木星的内部,由于强大的压力,氢气变为了液态,构成了一片氢的海洋,而海洋之下,由于压力更大,氢则变为了固态,呈现出金属的特性。然而氢气也好,金属氢也罢,氢原子本身的结构都是一样的。木星也好、地球也罢,终归只是行星,压力毕竟有限,但在恒星上就是另外一番景象了。

白矮星和中子星是如何形成的,上面的物质什么样?

在恒星生命的末期,恒星外部结构会急剧膨胀,并最终消散在太空之中,而内部则会在引力的作用下坍缩,最终变得极为致密。

此时压力之大并非地球和木星这样的行星所能够比拟,由电磁作用力支撑的原子结构崩塌了,电子不再整齐地排布在轨道之上,而是成为了游离的自由电子,不过好在这些自由电子最终顶住了压力,保住了原子核的完整性。

电子是靠什么顶住压力的呢?根据瑞士裔奥地利物理学家泡利所提出的泡利不相容原理,相同粒子会相互排斥,从而无法挤在一起,这似乎很像我们通常所说的同性相斥,电子与电子之间的这种斥力就被称之为“电子简并压”,正是电子简并压使破碎的原子得以维持一种稳定的状态,而这种状态的物质就被称之为电子简并态物质,白矮星就是由这种物质所构成的。

白矮星和中子星是如何形成的,上面的物质什么样?

白矮星作为一种极为致密的天体,其物质密度可以达到每立方厘米10吨左右,周围的物质会因白矮星强大的引力而被吸附,与此同时,白矮星的质量也会随之增加。

随着白矮星质量的增加,压力进一步增大,当白矮星质量达到太阳质量的1.44倍时,电子简并压也无法再与引力压力相抗衡,原子核被压碎了。游离的电子进入到原子核之中,与质子结合形成中子,好在中子之间也存在着相互的斥力,凭借着这种斥力,物质结构终于稳定住了,而这种物质就被称之为中子简并态物质,而由这种物质所构成的天体就被我们称之为中子星,所以我们也将这种物质通俗的称谓中子星物质。由中子星物质所构成的中子星比白矮星更加致密,其物质密度可以达到每立方厘米10亿吨。

白矮星和中子星是如何形成的,上面的物质什么样?

所以中子星通常很小,半径只有二三十公里,可质量却在太阳质量的1.44倍以上。

当然,也并非所有的中子星都是由白矮星通过吸收物质演变而来的,一般认为质量在太阳质量8倍以上,30倍以下的恒星,会在燃料耗尽之后通过超新星爆发直接生成为中子星。而质量更大的恒星,由于引力压力过于庞大,就连中子之间的相互斥力也无法与之抗衡,所以物质会不断坍缩下去,最终形成一个密度无限大、体积无限小的点,也就是我们所说的奇点,而在奇点周围会形成一个拥有无限空间曲率的范围,这就是宇宙间最神秘的天体,黑洞。

无论是白矮星、中子星还是黑洞,人类都已经证实了它们的存在,现在,我们不仅拥有黑洞的照片,更有数千颗记录在案的中子星,其中仅中国天眼建成之后新发现的中子星数量就达到了200颗以上,这个数字还在不断增加。

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