中子星是完美球體嗎？是什麼影響它的形狀？

驚奇 01-29

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【博科園-科學科普-留言評論或建議有驚喜哦~( ^_^)】中子星是恆星演化到末期由引力崩潰發生超新星爆炸之後可能形成的的少數天體之一，質量沒有達到可以形成黑洞的恆星在壽命終結時塌縮形成的一種介於白矮星和黑洞之間的星體，其密度比地球上任何物質密度大相當多倍。絕大多數的脈衝星都是中子星，但中子星不一定是脈衝星，中子星也是除黑洞外密度最大的星體。

中子星是宇宙中密度最大的物質集合之一，但它的質量是有上限的（非旋轉中子星質量不超過2.6倍太陽質量），超過這個上限中子星就會坍縮進而形成一個黑洞。圖片版權：ESO/Luís Cal?ada

宇宙中沒有靜止的物體，我們所知道的每樣事物幾乎都在以某種方式旋轉著。所知道的月球和每一顆行星恆星都是繞著軸旋轉，這意味著在物理現實中沒有一個真正完美的球體。作為一個靜力平衡旋轉的物體，地球的赤道凸起，兩極略扁，由於其每天自轉一次地球的赤道軸的距離比極軸要長26英里(42公里)，而且有很多東西旋轉得更快，那旋轉最快的物體是什麼呢？

脈衝星具有不可思議的自轉速度，那麼它會將物體扭曲多少，以何種方式使物質脫落還是重力能夠將所有物質束縛在物體上？任何東西旋轉的速度都是有限的，而脈衝星也不例外，其中也有些是非常特殊。

Vela脈衝星就像所有脈衝星一樣，是中子星中的一個例子。它周圍的氣體和物質非常普遍，並且能夠為中子星的脈衝行為提供燃料。圖片版權：NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al

脈衝星或旋轉中子星擁有宇宙中任何物體最不可思議的特性。是超新星爆炸後核心坍縮成的一個固體球體。中子星質量超過太陽質量，但直徑只有幾公里，是已知的最密集的物質形式。雖然脈衝星被稱為「中子星」，但它們大約只有中子的90%；所以當它旋轉時構成中子星的帶電粒子會快速移動，產生很強大的磁場。當周圍的粒子進入這一磁場時帶電粒子會加速，產生一股由中子星的極點發出的輻射，當其中一個極點指向地球時就會看到脈衝星的「脈衝」。

由中子構成的脈衝星有一個質子和電子的外殼，並形成了一個非常強的磁場，其磁場大小是太陽表面的萬億倍。注意自旋軸和磁軸是有些偏差的。圖片版權：Mysid of Wikimedia Commons/Roy Smits

大多數的中子星並不像脈衝星那樣會被觀測到，因為它們中的大多數並非巧合地與我們的視線重合。也許所有的中子星都是脈衝星，但只看到其中一小部分是脈衝的。然而在旋轉中子星中存在著許多可觀測到的旋轉周期。

這個星雲的核心是一顆年輕的大質量恆星，它最近在一次壯觀的超新星爆炸中死亡。由於脈衝中子星快速旋轉，它呈現出這些特徵性波紋。這顆年輕的脈衝星只有1000歲，每秒旋轉30次，是普通脈衝星的典型特徵。圖片版權：NASA / ESA

普通脈衝星包括絕大多數的年輕脈衝星，以百分之幾秒到幾秒的時間來完成一個完整的旋轉周期，而年齡越大速度更快，「毫秒」脈衝星旋轉速度要快得多。如某些脈衝星每秒鐘旋轉766次，而在2000年的超新星遺迹RCW 103的中心發現的最慢的脈衝星需要6.7小時才能繞軸旋轉一次。

在超新星遺迹RCW 103的核心有一顆緩慢旋轉的中子星同時也是磁星。2016年來自各種衛星的新數據證實，這是迄今為止發現的旋轉最慢的中子星。圖片版權：X-ray: NASA/CXC/University of Amsterdam/N.Rea et al; Optical: DSS

幾年前有一個錯誤的故事圍繞著一個緩慢旋轉恆星，現在是人類已知的最球狀的物體。雖然太陽非常接近一個完美的球體，僅10公里的赤道平面超過極地方向(或與一個完美的球體只有0.0007%的差距)，新觀測的KIC11145123恆星是太陽大小的兩倍多，但和太陽有一個區別就是它的赤道和兩極之間僅3公里。

最慢旋轉的恆星開普勒/KIC 1145123，其極地和赤道直徑僅相差0.0002%。但是中子星可能會扁平的多。圖片版權：Laurent Gizon et al/Mark A Garlick

雖然與完美球體有0.0002%的偏離是很好的，但慢速旋轉的中子星，也就是1E 1613，如果它直徑約為20公里，那麼赤道和極地半徑之間的差別就近似於一個質子的半徑：小於一萬億分之一的平坦化。也就是能確定：中子星的旋轉動力學決定了它的形狀。但事實可能並非如此，從另一面看待旋轉速度最快的中子星是很重要的。

中子星的亮度非常小也很低，但是它很熱，並且需要很長時間才能冷卻下來。如果眼睛足夠好也就會看到它在宇宙中閃耀著數百萬倍的光芒。圖片版權：ESO/L. Cal?ada

中子星擁有異常強大的磁場，正常的中子星大約有1000億高斯，最強大的大約在1萬億到100萬億高斯之間。(相比之下地球磁場約為0.6高斯)當旋轉作用將中子星壓成一個扁球體的形狀時，磁場會產生相反的效果，將中子星沿著旋轉軸加長，形成一個類似足球的形狀，被稱為長橢球體。

扁球體(左圖)和(右圖)橢球體，它們一般可以被變成扁平或拉長的形狀；球體的形狀可以根據作用於它們的力而發生變化。圖片版權：Ag2gaeh / Wikimedia Commons

由於引力波的限制，可以確定中子星因其旋轉變形了不到10-100厘米，這意味著中子星在大約0.0001%的範圍內是完美的球形。最快的中子星以766赫茲的頻率旋轉或旋轉一次僅用0.0013秒。

雖然有很多方法可以計算扁平率，即使是最快的中子星，但還沒有一致的方程進行計算。這令人難以置信的速度約16%的光速在赤道面移動，只有0.0000001%會導致球體平化，這離逃逸速度幾乎沒有任何距離，中子星表面上的一切都會在那裡停留。

在合併的最後時刻，兩顆中子星不只是發射引力波，也會引發一場巨大的爆炸，從而造成電磁波的回聲和一系列沉重的元素朝向周期表的高處飆升。圖片版權：University of Warwick / Mark Garlick

然而當兩個中子星合併後，這可能是我們所遇到的旋轉中子星(合併後)最極端的例子。根據標準理論：這些中子星應該坍縮成一個質量是太陽質量的2.5倍黑洞。但如果這些中子星迅速旋轉，它們就會在中子星狀態中停留一段時間，直到通過引力波輻射出足夠的能量，才能到達臨界不穩定狀態。這可以增加一個正常中子星的質量，至少暫時增加10-20%。

當觀察到中子星的合併以及它的引力波時，這正是我們所相信的。那麼合併後的中子星的旋轉速率是多少？它的形狀扭曲了多少？合併後的中子星發出的引力波是什麼類型的？

得出答案的方法是結合多種質量範圍內的中子星合併事件：低於2.5倍太陽質量會產生一個穩定的中子星，2.5到3倍太陽質量會產生一個臨時的中子星而後變成一個黑洞，3倍太陽質將直接變成黑洞。通過更快地捕捉引力波來了解更多信息，並能夠在合併之前預測出源頭。隨著LIGO/處女座和其他引力波探測器變得越來越靈敏，未來的研究也會越來越好。

兩顆合併中子星的概念圖。雙中子星系統的融合，但是發現最近的軌道連接直到近1億年後才會合併。在此之前LIGO可能會發現更多其他類似事件。圖片版權：NSF / LIGO / Sonoma State University / A. Simonnet

在此之前要知道中子星，儘管可能會從它快速旋轉中思考，但由於它們的密度、又非常堅硬。即使有很強的磁場和相對論的旋轉，也很可能是我們在整個宇宙中發現的宏觀最完美的球體。除非個別粒子被證明是更完美的球體；旋轉最慢最低磁場的中子星是尋找自然而生的最球狀天體的地方。當中子星的壽命足夠長，並且很穩定的時候，它將隨著時間的推移慢慢改變其自轉速率。據我們所知中子星上面的一切東西都一直處於某種狀態。

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作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Forbes science

編譯：公子世無雙

審校：博科園

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