中子星密度大质量大，一立方厘米重量上亿吨，是什么概念？

2020-01-06 14:00:31 佚名

暖色调111

中子星的确密度很大，中子星可以说是宇宙中可怕程度仅次于黑洞的天体，其表面的引力场异常强大，和黑洞有得一拼，换句话来说，中子星就是一颗失败的黑洞。

中子星和黑洞同样是恒星生命末期可能到达的终点之一，中子星是恒星演化到生命末期经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能形成的少数终点之一，质量没有达到可以形成黑洞的恒星在其生命末期会形成一种密度介于黑洞和白矮星之间的天体，这个天体就是中子星。

中子星表面的物质密度很大，简单来说，典型的中子星密度在上亿吨每立方厘米，也就是相当于水密度的100万亿倍！白矮星几十吨每立方厘米的密度跟中子星比起来，似乎有点微不足道了。事实上，如果把地球的密度压缩成和中子星一样的话，那么地球的直径将只会有22米，而像太阳这么大的天体，压缩之后的半径也不过只有10公里。

根据科学家的估计，质量在太阳8倍到20倍的老年恒星，生命末期它会形成一颗中子星，而质量不足8倍太阳质量的恒星，则会变成一颗白矮星。白矮星和中子星的物质存在状态是完全不同的，简单来说，白矮星的物质还是以原子的状态存在，只不过原子之间的距离已经被压缩得不能再小了，不过中子星就可以说完全是一颗巨大的中子组成的星球了，因为在中子星中，电子被压缩到了原子核之内，和质子结合形成了中子，整个中子星就是一个电中性的星体。

中子星的密度这么大，引力场也是足够强大的，逃逸速度为100000公里每秒到150000公里每秒左右，也就是相当于光速的三分之一到二分之一，这也就意味着，当一个物体的速度不能达到光速的三分之一的时候，它就不能脱离中子星的引力束缚，当然了，如果有一个物体掉到了中子星上面，那根本没时间想怎么逃的问题，因为中子星强大的引力场可以直接将它撕碎。

镜像科普

答：中子星的密度，基本就是原子核的密度，每立方厘米高达10亿吨，中子星是宇宙中的极端天体，属于恒星演化的产物之一。

一个氢原子的直径，大约是10^-10米数量级，氢原子核的直径大约是10^-15米数量级，说明在原子内部，还存在很大的空间；受量子力学的限制，原子核内部的空间很难被压缩，但是一些极端情况下例外。

宇宙中有四种基本作用力，强力、弱力、电磁力和引力；强力和弱力的作用范围很小，电磁力存在引力和排斥力，能相互抵消，唯有引力可以无限叠加，而且引力的作用范围无限远。

大质量恒星在演化末期，核聚变反应减弱导致自身引力占据主导作用，使得恒星在自身引力作用下塌缩，从而形成超新星，并留下一个核心部分，如果核心部分的质量在1.44~3倍太阳质量之间，就有可能形成中子星。

我们知道原子核由质子和中子组成，质子带电，中子不带电，在恒星塌缩时，自身物质无法抵抗强大的引力，使原子的核外电子落入原子核当中，与质子中和形成中子，于是一颗全部由中子组成的天体形成了。

在中子星内，由中子简并压力和万有引力相抗衡，中子星就如一个巨大的原子核，密度与原子核的密度相当，高达每立方厘米1~20亿吨，相当于把地球压缩成直径22米的球体，是非常不可思议的密度。

早在公元1054年，我国宋代天官就记录了一次超新星爆发，并持续观测了好几个月，亮度极大时白天都肉眼可见；这颗超新星最终形成了著名的蟹状星云，距离地球6500光年，蟹状星云的中心，就是一颗高速旋转的中子星，每秒自转大约30圈。

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浩瀚的宇宙中，密度最大的是黑洞，其次是中子星。中子星的密度约为8×10¹⁰kg～2×10¹²/cm³，也就是每cm³的重量约有上万～上亿吨，这就是一个指甲盖大小的体积。而地球的重量也就60万亿亿吨。

中子星又称脉冲星，因为它的磁场轴线和自转轴线不重合，在旋转时会产生的电磁辐射会忽明忽暗，辐射大多数会传到地球，被射电望远镜接收到。它的自转速度非常快，几秒就转一圈。

中子星是白矮星进一步坍缩而来，它的构成全部都是中子，但体积却很小，直径只有十几千米上下（6500万年前撞上地球的那颗小行星也有约10千米）。而就是这样一个小小星球，它的质量却有1.4～2.5倍太阳之重。

根据广义相对论，质量越大，引起的时空曲率越大。这样大质量的中子星也会在周围产生时空涟漪的引力波。2017年10月，美国的引力波探测器LIGO首次接收到中子星合并的引力波，验证了相对论的正确性。中国的射电望远镜天眼FAST也找到了44颗中子星。

由于中子星具有强大又稳定的射电辐射信号，科学家们将它预设为未来星际旅行时的导航灯。

如果中子星的质量>3倍太阳质量时（奥本海默·沃尔柯夫极限），它就会继续塌缩，当达到史瓦西半径时，它就是个黑洞了。

弄潮科学

要了解为什么中子星会质量巨大，我们就得先从原子结构说起。

原子结构

其实有很多人对原子结构都有误会，这是因为上学的时候，老师为了方便教学，会用一些模型，这些模型的比例实际上都有问题。比如说下面这张：

原子核和电子的个头实际上是偏大了，而且大得不是一般得多。那真实的情况应该是什么样子呢？这个问题，其实连带着原子模型长什么样子，经历了好几代科学家才搞清楚。不过，下面最后一张图，还是偏大了。

实际上，原子核的大小事卢瑟福搞清楚的，他用α粒子轰击金箔，他发现大部分的粒子会传过去，只有极其少量得会发生偏折。

由此，我们可计算出原子核大致的大小，如果说原子是一个足球场那么大的，那原子核实际上也就只有一种蚂蚁那么大，电子的大小目前来说我们没完全搞清楚，它可能只是个点状物而已，要比原子核还要小，是以概率云的形式在原子核外围分布。

从这里，我们可以得出这样的结论，那就是原子其实是很空旷的，99%以上都是“空”的。

电子和质子为什么不会反应成为一个中子？

在研究原子核模型的时代，科学家就一直在思考一个问题，那就是原子核是带正电，而电子是带负电，为什么电子不会掉落到原子核内，然后质子和电子反应称为一个中子？

如果这样会实现的话，那原子就会缩小到原来1%的尺度都不到，毕竟原子太空旷了，都是电子云在占地方。

我们要想知道的是，质子和中子，其实都是夸克构成的。

而组成中子的夸克质量之后要比组成质子的夸克的质量之和略大一点，这就导致中子的质量要比质子的质量大一点。根据爱因斯坦的狭义相对论中的质能等价，质量和能量其实是一样东西的两个面，所以多少质量就对应多少能量。因此，中子所蕴含的能量要大于质子，不仅如此，实际上中子的能量是要大于质子+电子+中微子的。根据能量最低原理，万物都是从高能量状态到低能量状态。所以，中子有一点概率自发地衰变成一个质子、一个电子、一个中微子。这其实就是β衰变。

而质子、电子要反应生成中子，由于是要从低能量状态到高能量状态，就需要输入能量，否则根本做不到。

电子简并压力

不过，形成中子星的过程中，如果引力巨大无比，这时候就会把原子们使劲压缩，说白了，引力就在提供这样的能量，想要使得电子进入原子核内。

不过，这时候还有一种量子效应叫做电子简并压力，它是因为泡利不相容原理产生的力。这种简并压力可以和引力相互抵抗，让电子不至于进入原子核。

不过，如果这时候的恒星质量超过1.44太阳质量（小于奥本海默极限），那电子简并压力也不足以抵抗住引力，电子就会被压到原子核内部。也就是说，刚才说到原子之内99%的空间由于电子被压进原子核，而失去这部分空间。原子核和原子核会被挤在一起，说白了就是一堆中子挤到一起。

所以，中子星的密度会异常的大，这里要再强调一下，并不是说中子之间完全没有缝隙，实际上还是有的，并且中子星表面还会有些许电子，中子星的半径一般在10至20公里之间，质量越大，半径就会收缩得越小（这其实是引力在迫使中子之间的缝隙变小）。中子星的密度一般上维持在8*13 g/cm^3到2*10^15 g/cm^3，这样的密度其实是和原子核密度差不多数量级的。所以，一立方厘米吨其实也就不足为奇了，说白了中子星就是一个没有原子之间的空间和原子内的空间的星体，而物质大部分的质量其实是来自于原子核的，损失空间的同时，质量还保住了，才会导致密度如此巨大。

所以，最后我们来总结一下，构成物质的原子和原子之间其实是有间隙的，而原子内部也很空旷，99%基本上都是空的。而中子星说白了就是把核外电子压到了原子核内，使得一群中子排排列的天体，就减少了大部分空间的同时，质量又不会变（原子的质量主要集中在原子核上），因此中子星的密度极其大，数量级大概和原子核差不多。

钟铭聊科学

恒星演化到生命后期一般会变成三种致密星体：白矮星、中子星、黑洞。它们的密度是逐渐增大的，太阳大约在50亿年以后将变成一颗白矮星。当恒星在太阳质量8~20倍之间的时候恒星最终将变成中子星，中子星的密度就是原子核的密度，每立方厘米8×10的13次方克至2×10的15次方克，也就是每立方厘米可以达到8000万吨至20亿吨。

恒星质量都非常大有着向内核处塌陷的作用力，在此条件下内核处产生了高温高压的环境，从而氕在此条件下发生核聚变以太阳为例每秒钟消耗6亿吨氢核聚变成5.95亿吨氦，损失的500万吨质量变成了光与热释放出去。这样恒星就维持了一个动态平衡，但演化到最后氢气耗没无法抵抗自身的引力塌陷作用。在这个作用下原子核外层的电子都被压进了原子核与质子结合变成了中子，最终形成的致密星所有的物质几乎就是原子核内的中子了，因此被称为中子星。

图：相互缠绕的中子星产生我们可以观测到的引力波

其实还有一种假设中的致密星-夸克星，这种星是在中子星的前提下继续挤压中子集合到一起，最终都变成了夸克。密度最高的一种是黑洞了，科学家已经难以描述黑洞内的情况了，因为所有的质量集中在奇点处，这种物质又是体积无限小无限致密的。

因为中子星保持了原恒星大部分的角动量，但是半径却缩小很多。所以一般中子星都有非常高的自转速度，例如毫秒脉冲星每秒钟可以旋转上百次。它们继续就像是宇宙中的灯塔一般，人类未来进行星际航行可以使用多颗脉冲星进行星际定位。

科学黑洞

这个问题，量子菌来问答。中子星就是由中子组成的天体，它的半径不大，在10千米左右，但质量却达到了太阳的1.4到3倍。简单计算，中子星的密度就是像题目里谈到的，可以达到10来亿吨/立方厘米。

中子星的形成

中子星之所以这么大的密度，因为它本来就是大质量的恒星演化而来的，我们太阳系的太阳是没有资格成为中子星的。对于大质量的恒星，当最后核燃料消耗完毕，而残留的质量还大于太阳质量的1.4倍时，也就是所谓的钱德拉塞卡极限质量。

中子星的密度

此时，该天体的引力已经大到电子的简并压力都无法对抗，本来处于原子核外的电子也被压入核内，电子质子就形成中子，原子以及原子核都坍塌了，这个星球上只剩下中子，所以称为中子星。中子星半径10千米左右，质量在太阳质量的1.4到3倍，密度大约为8000万到20亿吨每立方厘米。

中子星的研究意义

当然中子星，还不是宇宙中最致密的天体，黑洞才是，黑洞体积更是小到一个奇点。对于中子星来讲，最常见的就是旋转的脉冲星，沿着磁轴会发出辐射，就像灯塔扫描照明一样，有着稳定的脉冲周期，可以作为宇宙中的灯塔来标定星际旅行的位置，确定时间。

谈到中子星的研究，就不得不提我国的天眼

这个位于贵州山区的当世最大口径的射电望远镜，就是设计用来发现中子星。500米的口径的大锅，不是用来煮鲲用的，更不是寻找什么外星人来用的。贵州天眼投入使用以来，已经发现了几十颗中子星，成果斐然。