奇特的中子星
脈沖星是二十世紀(jì)六十年代射電天文的四大發(fā)現(xiàn)子之一，當(dāng)時(shí)震動(dòng)了全世界。不久脈沖星即被證實(shí)為三十年代理論所預(yù)言的中子星，為天文學(xué)摘取了諾貝爾物理獎(jiǎng)。它的發(fā)現(xiàn)不僅為天文學(xué)開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，而且對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展也產(chǎn)生了重大的影響，它導(dǎo)致了致密態(tài)物理學(xué)的誕生，雙脈沖雙星更是為驗(yàn)證愛因斯坦廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力波效應(yīng)立下了汗馬功勞。一石擊起千層浪！中子星的發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)時(shí)已顯得有些沉寂，平靜的銀河系內(nèi)掀起了波瀾，給河內(nèi)天文注入了勃勃生機(jī)，它把人們的目光，熱點(diǎn)從遙遠(yuǎn)的河外拉回了我們的銀河系。中子星的半徑約為10公里，質(zhì)量和太陽相當(dāng)或稍大，因而密度高達(dá)十的十四次方到十的十六次方克每立方厘米 ，是典型的致密星。因受超強(qiáng)磁場(chǎng)和超強(qiáng)引力場(chǎng)的約束，使其輻射只能從兩端對(duì)稱的磁極冠區(qū)發(fā)射出來，加上高速自轉(zhuǎn)，輻射周期性地掃過地球，形成脈沖效應(yīng)，被人門形象地稱之為“宇宙中的燈塔”。它具有超高溫，超高壓，超強(qiáng)磁場(chǎng)，超強(qiáng)引力場(chǎng)和超強(qiáng)輻射的物理特征。成為地球上不可能有的極端物理?xiàng)l件下的天空實(shí)驗(yàn)室。
同白矮星一樣中子星也是核能已耗盡，垂死的恒星的星核，但它由超新星爆發(fā)而形成，是富含中子的中子簡并星。恒星是從星際分子云中收縮而形成，從星胚到零齡主序星正式進(jìn)入主序星的行列，然后經(jīng)歷一系列復(fù)雜的過程變成致密星而死亡。在赫羅圖上恒星的演化進(jìn)程可表示為：原恒星——主序星——紅巨星（或紅超巨星，有的會(huì)成為造父變星或天琴座RR變星）——致密星（白矮星，中子星或黑洞）。對(duì)于8M⊙ 以上的大質(zhì)量恒星在主序星后則會(huì)成為紅超巨星，最后發(fā)生超新星爆發(fā)，其殘骸為中子星或黑洞。主序星階段是恒星一生中最重要然而卻是最平穩(wěn)的階段，恒星一生的絕大部分時(shí)間(占80-90%）是在主序階段渡過的，而晚期充滿著短促壯觀的事件，如超新星爆發(fā)，是恒星物理中最引人入勝的一個(gè)階段。
恒星一旦離開主序，演化過程將加快，耗能大大增加。紅超巨星階段恒星內(nèi)部的氫燃料已耗盡，并產(chǎn)生強(qiáng)大的星風(fēng)物質(zhì)拋射，有些在拋掉大部分星風(fēng)物質(zhì)后會(huì)形成富含氦的沃爾夫—拉葉星，然后由形成的重元素提供燃料發(fā)生核聚變，繼續(xù)向恒星提供能量，來維持星體的平衡。此時(shí)的恒星恰如巨型洋蔥頭，是含有諸多重元素的多瓣層狀結(jié)構(gòu)。重元素發(fā)生核聚變需要更高的溫度，密度和壓力，耗能急劇增加，反應(yīng)速度加快（越重的元素，需要的溫度越高，消耗量越大，反應(yīng)速度越快，維持的時(shí)間越短），很快會(huì)由于能量的失控而把自身推向死亡的邊緣。于是，出現(xiàn)能量不足，壓力降低，引發(fā)恒星內(nèi)部逐步坍縮，內(nèi)核溫度迅速升高，壓力陡增，一時(shí)間，恒星內(nèi)核成為由眾多重元素（C，O，Ne,Mg等）構(gòu)成的電子簡并核。這種簡并核的電子是非相對(duì)論性簡電子氣，可維持星體的平衡。但這只是暫時(shí)的平衡，隨著核反應(yīng)一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)行下去，最后形成鐵核（實(shí)際上只有少數(shù)質(zhì)量很大的恒星最后會(huì)形成鐵核，很多質(zhì)量稍小的恒星，有些在出現(xiàn)“碳閃”時(shí)就爆炸了，根本到不了鐵核），燃料耗盡，核反應(yīng)停止。此時(shí)的內(nèi)核質(zhì)量已超過錢德拉塞卡極限（1.44M⊙） 密度的增高使電子獲得極高的能量，由原先的非相對(duì)論性簡并電子氣，成為相對(duì)論性電子簡并。星體在白矮星階段所具有的自動(dòng)調(diào)節(jié)半徑來維持平衡的機(jī)制被打破，引力又變得主宰一切，恒星內(nèi)部由于能量的匱乏引發(fā)了災(zāi)變，星體繼續(xù)坍縮且變得瘋狂！外層物質(zhì)以極高的速度瞬間撞擊到十分堅(jiān)硬的內(nèi)核上，并引發(fā)猛烈的反彈，所產(chǎn) 生的強(qiáng)大沖擊波在短時(shí)間內(nèi)穿透整個(gè)恒星，加之中微子帶走了內(nèi)部大量的能量，星體被摧毀了，恒星爆炸了，成為超新星。
超新星爆發(fā)的威力無與能比，鐵核被破壞了，未能幸存。原因是高能電子打進(jìn)了原子核和質(zhì)子碰撞復(fù)合成了中子，內(nèi)核完全中子化了。在原子核中當(dāng)一個(gè)中子發(fā)生衰變時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)子和電子同時(shí)發(fā)射一個(gè)反中微子，一個(gè)孤立的中子也可以產(chǎn)生，這個(gè)過程叫做β衰變。相反當(dāng)一個(gè)電子碰到質(zhì)子或是高能電子打進(jìn)原子核和質(zhì)子相碰便形成一個(gè)中子和一個(gè)中微子，這個(gè)過程叫做逆β衰變，反應(yīng)式為：|Oke
1１P＋0-1ｅ→1０ｎ＋νe 在恒星的密度大于十的六次方克每立方厘米時(shí)，便達(dá)到了產(chǎn)生逆β衰變的條件，隨著向內(nèi)深入，電子的能量越大，打進(jìn)原子核內(nèi)的數(shù)目越多，形成了很多富含中子的核，這就是中子化過程。
逆β衰變過程使原子核中的中子數(shù)越來越多，質(zhì)子數(shù)越來越少，導(dǎo)致原子核內(nèi)靜電斥力減小，使得原子核的結(jié)合力減弱。當(dāng)中子的能量大到一定程度時(shí)，就會(huì)跑出原子核，形成自由中子發(fā)射。自由中子發(fā)射需要極高的密度，需要達(dá)到或超過十的十一次方克每立方厘米 數(shù)量級(jí)。恒星坍縮過程使密度增大，容易滿足這個(gè)條件
當(dāng)密度超過十的十四次方克每立方厘米后，原子核便完全離解，質(zhì)子和電子相碰變?yōu)橹凶樱蔀橹凶拥暮Ｑ蟆５€有少量的質(zhì)子和電子存在，以保持星體的電中性。否則中子星是不穩(wěn)定的，質(zhì)子是β衰變過程中產(chǎn)生的。 中子星的形成包含了逆β衰變，自由中子發(fā)射和原子核的離解三個(gè)過程。這三個(gè)過程都需要高密度，這在強(qiáng)大的內(nèi)核坍縮時(shí)是可以得到滿足的。在中子星外層的少量電子能以簡并態(tài)存在，而到了里面密度奇高，致使中子填滿了所有的能態(tài)，大部分中子處于很高的能態(tài)，形成了極其巨大的簡并中子氣壓。簡并中子氣壓和密度的5/3次方成正比，著和非相對(duì)論性的簡并電子氣壓與密度的關(guān)系一樣。但中子流體的密度已超過十的十四次方克每立方厘米，致使簡并中子氣所形成的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過簡并電子氣，成為可以抗衡引起星體坍縮的引力，這樣穩(wěn)定的中子星便形成了。同白矮星類似，中子星也有個(gè)質(zhì)量上限，為2.8M⊙ 叫做奧本海默極限，超過這個(gè)極限中子簡并壓力也無法同引力抗衡，星體會(huì)繼續(xù)坍縮，形成黑洞。
一個(gè)實(shí)際的中子星，從中心到邊緣物質(zhì)的密度是變化的，因而它的物態(tài)性質(zhì)是很復(fù)雜的。外層是一固體外殼約有1公里厚，它由原子核的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和簡并的自由電子氣組成。密度約為十的六次方克每立方厘米到十的十一次方克每立方厘米 ，原子核主要是鐵，符合逆β衰變過程的條件。內(nèi)殼的密度為十的十一次方到十的十四次方克每立方厘米 ，滿足自由中子發(fā)射的條件。當(dāng)密度高達(dá)十的十五次方克每立方厘米時(shí)，構(gòu)成中子流體區(qū)，其中的流體處于超流狀態(tài)，同時(shí)質(zhì)子是超導(dǎo)的，而電子是正常的，中心是約為1公里的固體核心。由中子流體區(qū)向內(nèi)物質(zhì)密度增加，會(huì)出現(xiàn)不同能態(tài)的超子，從而形成超子流體。
中子星盡管是死亡了的恒星的星核，核能已完全耗盡，但仍有著十分豐富的物理過程，如，有的會(huì)發(fā)出無線電脈沖輻射，有的會(huì)發(fā)出X射線乃致γ射線輻射，有的是某兩者兼具，還有的可能是由于表面發(fā)生了星震而發(fā)出短時(shí)標(biāo)的γ射線爆發(fā)等。因此，在高能天體的舞臺(tái)上中子星擔(dān)當(dāng)著主要的角色，成為天文學(xué)家的掌上明珠。
在大質(zhì)量恒星衰老后，恒星向外的輻射壓不能與向內(nèi)的引力抗衡，它的外殼就會(huì)向外膨脹，它的核卻向內(nèi)收縮。核在巨大的壓力和由此產(chǎn)生的高溫下發(fā)生一系列復(fù)雜的物理變化，電子被壓縮到原子核中，同質(zhì)子中和為中子，使原子變得僅由中子組成。這時(shí)恒星的外殼將以一次極為壯觀的爆炸來了結(jié)自己的生命。也就是天文學(xué)中著名的“超新星爆發(fā)”。最終剩下核，成為了中子星。
