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假如把1立方厘米的中子星物质放在地球表面,接下来会发生什么?

2021-11-28  魅力科学君

顾名思义,中子星就是一种基本上全部由中子构成的星球,它们是宇宙中的那些大质量恒星消亡之后留下的致密核心,在宇宙中所有已知的天体种类中,中子星的致密程度仅次于黑洞,一颗半径只有10多公里的中子星,其质量就可以与太阳相当。

假如把1立方厘米的中子星物质放在地球表面,接下来会发生什么?

根据已知的观测数据,中子星的密度至少有10^11千克(即1000亿千克)/立方厘米,假设这块中子星物质是一个正方体,那么当我们把它放在地球表面时,就相当于将一个重达1000亿千克的物体压在面积仅有1平方厘米的地球表面上。

显而易见的是,地球上的任何物质都无法承受如此恐怖的压强,因此我们完全可以相信,这块中子星物质将会直接陷入地球表面,接下来,它将在几乎没有阻碍的情况下向地心坠落,然而这块中子星物质并不会就这样安静地坠入地心。

中子星物质的密度之所以会如此高,是因为中子星的巨大重力的束缚,而相对于中子星的重力来讲,地球上的这一点点重力根本就不在一个档次,完全可以忽略不计。

事实上,在地球上没有什么力量可以将这块中子星物质束缚住,在此基础上,再加上中子星物质本身的温度就极高(一般都可达到100万K以上),所以这块中子星物质就会一边向地心坠落,一边以极快的速度膨胀。

随着上述过程的持续,这块中子星物质将转变成一大堆自由中子,然而自由中子是很不稳定的,它们在短时间内就会发生衰变(自由中子的半衰期只有大约611秒)。

中子的衰变属于β衰变,在这个过程中,中子会转变成质子,同时释放出一个电子以及一个反中微子。

中子、质子和电子的质量分别为1.6745 x 10^(-27)千克、1.6726 x 10^(-27)千克、9.10956 x 10^(-31)千克,通过简单计算之后我们就可以得出,一个中子在完成衰变之后,有大约0.15%的质量消失了(注:由于反中微子的质量极小,因此我们在计算中可以将其忽略)。

当然了,这0.15%的质量并不是凭空消失的,爱因斯坦告诉我们,它们其实是转变成了能量。也就是说,中子的衰变其实是一个释放能量的过程。虽然单个中子衰变后释放的能量微乎其微,但1000万亿千克中子衰变后释放的能量就非常惊人了,我们先来计算一下这个能量具体有多大。

从理论上来讲,发生β衰变之后产生的质子和电子,会与一部分自由中子结合并形成原子,所以这块中子星物质并不会全部发生衰变。为了方便讨论,我们可以简单地认为只有一半的中子,也就是500亿千克中子会发生衰变,而在它们衰变之后,其0.15%的质量,也就是7500万千克的质量转变成了能量。

根据爱因斯坦给出的质能方程“E=mc^2”(m为质量,c为光速常量,即299792458米/秒)可以计算出,其释放出的总能量为6.75 x 10^24焦耳,这大约相当于1600万亿吨TNT当量。

什么概念呢?这么说吧,“沙皇炸弹”是人类迄今为止所引爆过的威力最强的核弹,其爆炸当量相当于5000万吨TNT,这是广岛原子弹的3864倍,我们简单计算一下就可以得出,这块中子星物质所释放出来的能量,相当于3200万颗“沙皇炸弹”,或者1236亿4800万颗广岛原子弹。

需要知道的是,即使是6500万年前的那颗将恐龙从地球上抹去的小行星,也只不过在地球上释放了大约3.4 x 10^23焦耳的能量,也就是说,这块中子星物质所释放出来的能量,大概相当于20颗这样的小行星撞击地球所释放出的总能量。

总结

综上所述,假如把1立方厘米的中子星物质放在地球表面,那么它就会迅速向地心坠落,同时一边剧烈膨胀,一边释放出非常巨大的能量,在这种情况下,地球上的各种生物将很难幸存下来。

值得一提的是,地球的引力结合能约为2.25 x 10^32焦耳,远远高于这块中子星物质释放出来的能量,所以这对地球本身并不会造成什么损伤。


好了,今天我们就先讲到这里,欢迎大家关注我们,我们下次再见。

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