浩瀚宇宙的神秘天體——中子星

(圖片來源:美國國家航空航天局)

在這張由美國宇航局錢德拉天文臺的x射線觀測、超大望遠鏡的可見光測量和哈勃太空望遠鏡的附加數(shù)據(jù)組成的合成圖像中，可以看到超新星爆炸中心的一顆中子星。

科學(xué)家們對神秘中子星的大小進行了新的估計，揭示了超密度恒星尸體比之前認為的略大。根據(jù)發(fā)表在《物理評論快報》上的最新評估，除了黑洞之外宇宙中已知密度最大的物體——中子星，其半徑在8.2到8.9英里(13.25到14.25公里)之間。此前，人們認為這些恒星是巨型超新星爆炸的殘留物，半徑略小，可達7.5英里(12公里)。在這個相對較小的半徑內(nèi)(無論哪個)，被擠壓的物質(zhì)量相當于太陽質(zhì)量的1.4倍，相比之下，太陽的半徑為432,169英里(695,508公里)。

研究人員不是通過直接測量中子星，而是通過觀察所謂的“中子皮”，即圍繞在鉛原子原子核周圍的中子外層來做出新的估計的。那么，鉛和中子星的大小有什么關(guān)系呢? 鉛是地球上天然能找到的密度最大的物質(zhì)之一。盡管鉛的密度遠不及中子星，但科學(xué)家們認為，支配鉛原子結(jié)構(gòu)的物理原理一定與中子星結(jié)構(gòu)背后的物理原理相似。

佛羅里達州立大學(xué)核物理學(xué)家豪爾赫·皮耶卡雷維奇（近期相關(guān)論文的作者之一）在一份聲明中說:“目前我們在實驗室中進行的實驗都無法探測中子星的結(jié)構(gòu)，它是如此的獨特，我們根本無法在實驗室中制造出來。因此在實驗室里任何能夠定義中子星的屬性或者給到我們信號的發(fā)現(xiàn)都是非常有價值的。

皮耶卡雷維奇和他的同事們最近研究了一項名為PREX(鉛半徑實驗，Pb是鉛的化學(xué)符號)的實驗結(jié)果，該實驗最近由弗吉尼亞州托馬斯·杰斐遜國家加速器實驗室的物理學(xué)家進行。研究人員用電子束探測了鉛原子，發(fā)現(xiàn)鉛同位素Pb-208的中子皮有0.28飛米(0.28萬億分之一毫米)厚，大約是理論學(xué)家預(yù)測的厚度的兩倍。這項研究也被發(fā)表在《物理評論快報》上。

中子表皮和中子星

原子通常由帶正電荷的質(zhì)子、帶負電荷的電子和不帶電的中子組成。質(zhì)子被擠壓在原子核中，電子在原子核外層分布，而中子就比較復(fù)雜了。

較重的原子，如鉛，通常含有更多的中子。一些中子和質(zhì)子一起被擠進原子核，但并不是所有的中子都能擠進去，剩下的部分將被推到原子核的邊緣，在那里形成了物理學(xué)家所說的中子皮。

鉛最常見的同位素Pb-208含有82個質(zhì)子和126個中子，常被用于實驗研究。物理學(xué)家知道，原子的大小與其外層有關(guān)。皮耶卡雷維奇認為，同樣的假設(shè)可用于推理體積和密度更大的中子星。皮耶卡雷維奇在聲明中表示:“這種表皮的尺寸，以及它如何進一步擴展，與中子星的大小有關(guān)?！?他說，他的估計還只是初步的，科學(xué)家要真正正確地了解掌握中子星，還需要更多的工作和技術(shù)進步。

皮耶卡雷維奇說，這是在推動知識的前沿，我們都想知道我們從哪里來，宇宙是由什么組成的，它的最終命運是什么。自2017年以來安裝在國際空間站的美國宇航局中子星內(nèi)部成分探測儀(NICER)望遠鏡使天文學(xué)家能夠測量一些中子星的大小和質(zhì)量，但天文學(xué)家對這些神秘物體的許多假設(shè)仍然基于理論。

相關(guān)知識

中子星，是恒星演化到末期，經(jīng)由引力坍縮發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點之一。恒星在核心的氫、氦、碳等元素于核聚變反應(yīng)中耗盡，并最終轉(zhuǎn)變成鐵元素后，便無法再從聚變反應(yīng)中獲得能量。

中子是一種電中性的粒子，具有略大于質(zhì)子的質(zhì)量。中子屬于重子類，由兩個下夸克、一個上夸克和用于在它們?nèi)咧g作用的膠子共同構(gòu)成?？淇说撵o質(zhì)量只貢獻出大約1%質(zhì)子質(zhì)量，剩余的質(zhì)子質(zhì)量主要源自于夸克的動能與捆綁夸克的膠子場的能量。絕大多數(shù)的原子核都由中子和質(zhì)子組成。

BY:Tereza Pultarova

FY: kairikoo

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