最近跟一些朋友聊起一個話題,中子星為何有強大的磁場? 磁通量是守恆的,上半主序星塌縮後磁通為10^1-10高斯,而中子星能達到10^11-13次高斯的強度(磁星高達14-15次),中子星是由中子組成,不帶電子,呈中性。如此強大的磁場到底如何形成? 我們先來了解下中子星是什麼。如果你為白矮星的巨大密度而驚嘆不已的話,這裡還有讓你更驚訝的呢!我們將在這裡介紹一種密度更大的恆星:中子星。 中子星是除黑洞外密度最大的星體(根據最新的假說,在中子星和黑洞之間加入一種理論上的星體:夸克星),中子星的密度為每立方厘米8×10的13次方克至2×10的15次方克之間也就是每立方厘米的質量為8千萬到20億噸之巨!此密度也就是原子核的密度,是水的密度的一百萬億倍。對比起白矮星的幾十噸/立方厘米,後者似乎又不值一提了。如果把地球壓縮成這樣,地球的直徑將只有243米!事實上,中子星的質量是如此之大,半徑十公里的中子星的質量就與太陽的質量相當了。 同白矮星一樣,中子星是處於演化後期的恆星,它也是在老年恆星的中心形成的。只不過能夠形成中子星的恆星,其質量更大罷了。根據科學家的計算,當老年恆星的質量為太陽質量的1.3~3.2倍時,它就有可能最後變為一顆中子星,而質量小於1.3個太陽的恆星往往只能變化為一顆白矮星。 但是,中子星與白矮星的區別,不只是生成它們的恆星質量不同。它們的物質存在狀態是完全不同的。 簡單地說,白矮星的密度雖然大,但還在正常物質結構能達到的最大密度範圍內:電子還是電子,原子核還是原子核,原子結構完整。而在中子星里,壓力是如此之大,白矮星中的簡併電子壓再也承受不起了:電子被壓縮到原子核中,同質子中和為中子,使原子變得僅由中子組成。而整個中子星就是由這樣的原子核緊挨在一起形成的。可以這樣說,中子星就是一個巨大的原子核。中子星的密度就是原子核的密度。中子星的質量非常大以至於巨大的質量讓光線都是呈拋物線掙脫。 在形成的過程方面,中子星同白矮星是非常類似的。當恆星外殼向外膨脹時,它的核受反作用力而收縮。核在巨大的壓力和由此產生的高溫下發生一系列複雜的物理變化,最後形成一顆中子星內核。而整個恆星將以一次極為壯觀的爆炸來了結自己的生命。這就是天文學中著名的「超新星爆發」。 話題扯遠了,我們言歸正傳,繼續來說中子星強大磁場的問題。 此番討論比較激烈,各種說法不一,後來我歸納了下以下幾個比較令人信服的理由: 1.粒子自旋產生磁場 大家都知道磁化效應,這裡就不多講了。在量子力學中,自旋是粒子所具有的內在性質,其運算規則類似於經典力學的角動量,並因此產生一個磁場。中子也是一種粒子 只要有自旋就會產生磁場。 2.帶電夸克 中子由夸克組成。夸克分為3種:「上夸克」(u)帶2/3的正電、「下夸克」(d)帶1/3的負電和「奇夸克」(s)帶1/3的負電,是由蓋爾曼於1964年提出的,他認為質子是由兩個上夸克、一個下夸克組成的;中子則是由一個上夸克、兩個下夸克組成的,2/3+(-1/3)+(-1/3)=0,(因此中子不帶電).蓋爾曼的夸克模型為科學實驗所證實.他本人則由於這一成就而榮獲諾貝爾物理獎.近來,又先後發現粲夸克(c)、底夸克(b),根據理論上的對稱性,物理學家提出,應存在第6種夸克--頂夸克(t)。考量一個粒子一般會考慮到動量和位置 然後還有一個物理量「磁矩」,夸克也會有磁矩,所以中子星有磁場 3.自由電子產生 恆星坍縮過程中內部產生極其高的溫度和壓力,加速粒子運動,迫使部分電子擺脫原子核束縛成為了自由電子。 4.強大引力引起 強大引力使中子星周圍物質(類似於吸積盤)發生劇烈運動,平動和自旋過程中產生碰撞出現電離現象。 以上結論,個人認為第一第二點更加接近實際情況。而第三點和第四點,所產生的磁場是否能達到中子星10^11-13次高斯的強度呢? |
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