中子星“游记”

初鹏程

由牛顿的万有引力定律可知，凡是具有质量的物质都会产生引力，引力的大小与质量成正比，即质量越大产生的引力也越大。引力的特点是以物质的质心为中心来计算的，所以恒星虽然拥有巨大的体积，但它的引力还是以质心为原点的。星体内部的物质所受的引力指向星体核心，需要星体物质自身产生较高的压强，净压强沿着星体半径的方向朝外才能抵消引力，最终通过受力平衡来形成稳定的星体。

星体内部的引力（绘图/ 周游）

一般来说，星体物质的压强越大，温度也越高，所以恒星内部核心处会有非常高的温度，足以达到产生核反应的条件，持续释放能量来抵消引力引起的内缩。

其实不只是恒星，任何天体或者是具有质量的物质，都会产生同样的现象。

白矮星、中子星、黑洞是恒星演化的3种结局，它们都属于致密星。

太阳质量是用于测量恒星或如星系类大型天体的质量单位。它的大小等于太阳的总质量，大约1.989X1030千克（一般取2X1030千克），为地球质量的33万倍。虽然太阳的质量和体积远大于地球，但放在宇宙中，它的亮度、大小、质量都非常普通，因此人们一般采用我们熟悉的太阳质量作为单位，来衡量其他观测到的恒星的质量。

恒星的演化

而恒星演化为何种致密星主要取决于它自身的质量。一般来说，质量在1～8倍太阳质量的小质量恒星，最终会演化成白矮星，例如太阳。而大质量的恒星可能演化成中子星，更大质量的恒星则可能坍缩成黑洞。

在质量为太阳质量10 倍以上恒星的演化末期，如果其核心核反应太过剧烈，快速耗尽能量，恒星会被强大的引力压缩，星体物质的相互作用间距被进一步减小，并在非常短的时间内产生剧烈的爆炸，这就是“超新星爆发”。

在爆炸中，原子的核外电子被“压”进原子核，原子核中的质子会与之结合，形成中子。因此，超新星爆发后的星体中的中子积累增多，在构成星体的粒子中，中子的比例也是最高的，中子星就形成了。

中子星质量大、密度高、引力强。在当前物理学前沿领域中，中子星方向的研究始终有一席之地。追溯其历史起源，1932年，苏联物理学家朗道在英国物理学家查德威克发现中子后不久，即提出有可能会存在完全由中子构成的星体，中子星的概念自此而生；1967年，科学家发现了第一颗射电脉冲星，人们很快意识到它应该是理论上推测已久的中子星，由此揭开了大规模研究中子星的序幕。很长一段时间内，中子星被大家视为致密星体的代表。

中子星的质量一般为1～2倍的太阳质量，半径非常小，10千米上下，由此可见其致密程度。在《西游记》中，孙悟空的“如意金箍棒”重13500斤， 能变成绣花针塞到耳朵里。倘若以中子星的物质做出一根绣花针，质量就会变成原来的10万倍，估计强如孙大圣也不敢将它放进耳朵里了。如果从中子星中“抠出”乒乓球大小的一团物质，其重量可以与珠穆朗玛峰相提并论。

读者们可以考虑下，密度这么大的中子星，内部除了中子还有没有别的构成粒子呢？答案是有的，中子星内部中子为其主要成分，质子和电子也有一定的比例，甚至还会包含一些超子（含有奇异夸克的一类粒子）和μ 子（一种轻子，电子也是轻子）。

而对于中子星的内部物质状态及整体结构，科学家们尚未完全探明，人们猜测可能是聚合得更紧密的中子、质子、超子，还可能是由夸克物质构成的“夸克核心”！

超新星爆發

在致密星体中，还存在着强大的磁场，星体表面磁场可以达到1011高斯以上，内部磁场可能会更强，而地球内部磁场只有0.5～0.6高斯，可见致密星体内部磁场极强。如此巨大的磁场，甚至会改变致密星体内部物质的分布，使得致密星体物质的压强分布不再是球对称，而是根据磁场分布产生变化。

此时的致密星，我们就可以统称为磁星了。磁星内部磁场的分布也是致密星体领域的一个重要问题，目前提出的分析思路很多，但是并没有准确的实验方法去验证。

我们可以将磁星内部磁场投影分解成两种情况：第一种情况是磁场在磁星内部沿着磁星半径方向发出，从另一极绕回，像是地球的磁场；另一种情况是磁星内部磁场在星体内部垂直于径向的平面中随机闭合分布，但这种磁场分布情况科学家尚未完全探明。

而且磁星质量与半径会随着磁星内部磁场强度与方向分布而发生显著变化，因此磁场是影响致密星性质的一个重要方面。

磁星示意图

在广袤的宇宙中，无数的天体自转、公转、相互吸引，大量的宇宙射线起源、传播、纵横交错，人们在物理与天文上的相关研究延绵几千年，获得了丰富的实验与理论成果，不断拓阔我们对于宇宙的认知。

（责任编辑 / 张丽静 美术编辑 / 周游）

谈到夸克物质，就要提一个较有历史且又令人向往的名字——夸克。

直到大约30年以前，人们还以为质子和中子是基本粒子（ 即不可再分）。但事实上，它们也是由更小的粒子构成的，那就是夸克。它分为“上、下、奇异、粲（càn）、底、顶”6味（“味”可视为夸克的种类）。其名字的命名是由物理学家盖尔曼从《芬尼根的守灵夜》（爱尔兰作家詹姆斯·乔伊斯创作的长篇小说）中选择的，以此表示对科学语言自由的向往。

夸克具有分数电荷，例如上夸克与下夸克的电量，分别是元电荷的+2/3倍与－1/３倍。简单地说，两个上夸克和一个下夸克就可以构成一个质子，两个下夸克和一个上夸克可构成一个中子（读者可以验证下）。

以水分子为例的从分子到夸克