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为什么中子星不会坍缩为黑洞?

0 张子豪 张子豪 2025-10-11 22:05 1

黑洞是宇宙中的极端天体,理论上,只要把足够的质量挤入一个足够小的体积中,成果就会发生一个黑洞。从它概况逃逸所需的速度将达到光速,因为光速是最快的速度,所以任何工具都无法从黑洞中逃出来。

固然理论上制造黑洞很轻易,但现实的正常物质很难做到这一点。氢是宇宙中最常见的元素,它会在高暖和高密度的连锁反映中融合形当作一颗恒星,而不是黑洞。像白矮星和中子星如许的恒星核,也能抵当住引力坍缩,避免当作为黑洞。白矮星的质量只能达到太阳的1.4倍,而中子星的质量可以达到太阳的二至三倍。那么,为什么会有如许的不同呢?

在我们的宇宙中,我们所知道的基于物质的物体都是由一些简单的当作分构成的,即质子、中子和电子。每一个质子和中子都由三个夸克构成,一个质子包含两个上夸克和一个下夸克,一个中子包含一个上夸克和两个下夸克。另一方面,电子自己就是根基粒子。粒子有两类,即费米子和玻色子,夸克和电子都是费米子。

事实证实,当涉及到黑洞形当作的问题时,这些分类特征是至关主要的。费米子有一些特征玻色子没有,包罗:(1)费米子有半整数自旋(如±1/2,±3/2,±5/2等),玻色子是整数自旋(0,±1,±2等);(2)费米子有对应的反粒子,玻色子没有;(3)费米子知足泡利不相容道理;(4)最后一个特征是防止物质坍缩当作黑洞的关头。

泡利不相容道理只合用于费米子,而非玻色子,这个道理表白在任何量子系统中,没有两个费米子可以占有不异的量子态。也就是说,若是把一个电子放在一个特心猿意马的位置,它会在阿谁状况下有一组性质:能级、角动量等等。

然而若是把第二个电子放到系统中不异的位置,它就被禁止拥有不异的量子数。它必需要么占有一个分歧的能级,有一个分歧的自旋(若是第一个是-1/2,它就是+1/2),要么在空间中占有一个分歧的位置。

这就是为什么原子有分歧的性质,为什么原子在复杂的组合中如斯连系在一路,以及为什么元素周期表中的每一个元素都是并世无双的,因为每种原子的电子排布分歧于其他原子。

质子和中子相似。尽管它们是由三个夸克构成的复合粒子,但它们表示得就像单个的费米子一样。它们也遵循泡利不相容道理,没有两个质子或中子可以占有不异的量子态。电子是费米子,这是防止白矮星在自身引力下坍缩的原因;同样中子是费米子,这也阻止了中子星进一步坍缩。泡利不相容道理是防止所有最致密的天体当作为黑洞的原因。

当不雅察宇宙中的白矮星时,它们的质量上限年夜约在1.4倍太阳质量,即钱德拉塞卡质量极限。因为没有两个电子能占有不异的量子态,是以量子简并压力是阻止黑洞形当作的原因,直到跨越极限值。

在中子星中,有一个近似的质量极限:托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限。最初估计这将与钱德拉塞卡质量极限不异,因为根本物理是不异的。当然,并不是特心猿意马的电子供给了量子简并压力,可是道理(和方程式)几乎是一样的。按照不雅测可知,中子星的质量比1.4倍太阳质量要年夜得多,可能会上升到太阳质量的2.3或2.5倍。

不外这种差别是有原因的。在中子星中,壮大的核力起了感化,对比费米子寒气体的简单模子,它造当作了更年夜的有用排斥力。在曩昔的20多年里,中子星理论质量极限的计较成果有很年夜转变:从年夜约1.5倍到3.3倍太阳质量。数值不确定的原因是对极其致密物质行为的未知,就像原子核中的密度一样,都是不领会的。

或者更切当地说,这些未知事务困扰了我们很长一段时候,直到上个月的一篇新论文改变了这一切。论文作者V. D. Burkert,L. Elouadrhiri和F. X. Girod刚取得了关头的进展,用于领会中子星内部发生的工作。

在曩昔的几十年里,质子和中子的核子模子已经有了很年夜提高,同时也改善了计较和尝试手艺。最新的研究利用了一种被称为康普顿散射的老手艺,把电子发射到质子的内部布局中去探测它的布局。当一个电子与一个夸克彼此感化时,它会释放一个高能光子,以及一个散射的电子,并导致核反冲。经由过程测量这三种产品,可以计较出原子核内夸克经受的压力分布。发现成果令人震动,质子中间四周的平均峰值压强达到10^35帕斯卡,比中子星内部压强还年夜。

换句话说,领会了单个核子内部的压力分布,我们可以计较出什么时辰,在什么前提下可以降服这种压力。固然这个尝试只针对证子,但中子的成果应该近似,也就是说在将来,我们应该可以或许计较出更切确的中子星质量极限。

质子内部庞大压力的测量成果以及压力的分布,标的目的我们揭示了防止中子星坍塌的原因。每个质子和中子的内部压力来历于强核力,这种压力支撑着中子星。我们在切确确定质量阈值上获得了很年夜晋升。除了依靠天体物理学的不雅测,核物理尝试可能供给了理论上理解中子星极限地点的路标。

相关研究论文已经颁发在《天然》(Nature)杂志上。

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张子豪

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