中子星为什么会叫做“中子”星呢?
中子星的构成
中子星之所以叫做中子星,原因就是中子星基本上是由中子构成的。中子星大致可以分为三层,核心部位压力巨大,是由超子构成的。中间层是由自由中子构成的。表面由于中子会发生β衰变,衰变成电子、质子、中微子。
因此,中子星并不是完全由中子构成,但绝大部分都是中子。
不过即使是这样,中子星也已经和多数天体有非常大的不同了,那这种不同是如何造成的呢?这其中就涉及到了恒星的演化。
恒星的演化
这里我们讲一讲10倍太阳质量的恒星,这类恒星个头都会非常大,一般都是蓝巨星(当然这并不是绝对。)它们的寿命都比较短。
最早会和太阳一样,会进入到主序星时期。主序星时期烧的也是氢原子核。
这和我们平时烧炉子是一样的,只不过炉子烧的是煤炭,而恒星烧的是氢原子核,炉渣是氦原子核。说白了就是4个质子发生核聚变反应生成氦-4核。
之所以烧氢原子核是因为,宇宙中大部分的元素都是氢原子和氦原子,这是宇宙大爆炸之初奠定的。因此,恒星基本上都是由氢原子和氦原子构成的,其中氢原子占到了70%以上。加上恒星内核的温度特别高,因此,恒星其实是一个等离子体。
有意思是,原子核和电子是到处乱串的。所以,核聚变反应就是直接是氢原子核的反应。当氢原子核反应得差不多时,恒星就会换挡位,切换成氦核聚变。这时候的燃料就是氦原子核,炉渣就是氧原子核和碳原子核。
当氦原子核也烧完后,还会继续换挡,开始烧碳原子核和氧原子核。然后一路换挡,烧到核心是生成的炉渣是铁原子核。
由于要促发硅原子核核聚变生成铁原子核,内核温度就会升高到非常高的程度,大概在30亿度左右,这时候外层的温度也会非常非常高,导致外层也在发生核聚变,而且每一层的核聚变反应都不一样。此时的恒星就好像一个巨型的洋葱一样。
当内核的硅核聚变都生成了铁原子核(其实还有一些其他的,主要是铁原子核)。此时,光子会进入到铁原子核内部,把铁原子核击碎。于是,大量的中子和质子就会被释放出来,自由的电子和质子相遇会后,就会发生反应,生成中子和中微子。因此,整个过程是需要消耗大量能量。紧接着在引力的作用之下,恒星开始快速坍缩,核心会只留下一个中子星,也可能会是黑洞,然后引发II型超新星爆炸。
我们可以再对形成中子星的过程进行细致的描述,实际上,如果此时的内核质量是在1.44倍太阳质量到3倍太阳质量之间,那一般来说就会生成中子星。这是因为,电子是存在电子简并压力的,这种压力可以抵抗外界的引力,确保电子不和原子核内的质子反应。但是由于温度太高,引力太大,最终电子简并压力不足以对抗引力,才发生了这个反应。
但其实中子也是可以再分成夸克的,为什么没有继续往下压呢?
这和中子也有中子简并压力有关,中子星就是一颗依靠自身中子简并压对抗引力的天体。
如果中子简并压也无法对抗引力,那接下来就会成为一颗黑洞,如果内核的质量大于3倍太阳质量,就有因为引力大于中子简并压而成为黑洞。
当然,这些都是理论,但实际是不是这样还是要依靠观测。恒星的核聚变反应我们可以利用光谱得到;恒星的演化也可以通过观测得到,无论是中子星,黑洞甚至是超新星爆炸,科学家都有切实观测到的证据。因此,以上这些理论都是得到了观测的证实的。
最后,我们来总结一下,中子星大部分构成成分就是中子,只有少部分的超子和电子、质子,分别分布在内核和外表面。中子星是大质量恒星(质量大于10倍太阳质量的恒星)演化过程中出现的产物,这也被科学家通过天文观测所证实。