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它才是宇宙终极武器

www.creaders.net | 2024-03-26 15:50:45  煎蛋网 | 0条评论 | 查看/发表评论

  在宇宙中,存在着一些直径不超过一座城镇,却比太阳亮一百倍的球体。它们会发出穿越整个星系的 X 射线耀斑。它们的内部由超流体亚原子粒子构成,核心则由奇特且未知的物质状态组成。它们的寿命只有几千年。

  而最可怕的是:它们拥有迄今为止观测到的最强磁场,如此之强,以至于它们可以从一千公里外将你熔化——从字面上将你解离到原子水平。

  这些就是磁星,或许是迄今为止已知的最可怕的存在。

  小小绿人

  科学史上最伟大的发现往往是偶然发生的,而要了解磁星,我们必须追溯到两个始料未及的观测。

  第一个发生在 1967 年,当时的研究生 Jocelyn Bell(现为 Dame Jocelyn Bell Burnell)在英国剑桥的穆拉德射电天文台,使用新建造的、非常精密的星际闪烁阵列与她的导师 Antony Hewish 一起工作。在分析一个晚上收集的数据时,她发现了一段“杂乱无章”的信号(用她的话说)。这是一个极其规律的模式,每 1.33 秒重复一次无线电发射。进一步的观测表明,这个信号来自夜空中同一个点,排除了一切地表来源。

  起初,Bell 和 Hewish 不知道这是什么。它如此规律和可预测,以至于他们半开玩笑地将该来源称为“LGM-1”,想知道是否是“小小绿人”(即外星人)造成了这个神秘的信号。

  最终,天体物理学家提出了另一种解释:这颗中子星是一颗巨型恒星在很久以前发生超新星灾难后留下的核心。几十年前に物理学家就已经预言了中子星的存在,但他们认为中子星的体积太小,无法观测到。令他们惊讶的是,中子星确实存在,它们以规律闪烁的无线电束的形式显露出自己的存在。

  这些天体被称为脉冲星,这是一种纯属巧合的情况。旋转的中子星可以发射出像灯塔一样扫射的辐射束。当它们扫过地球时,我们就会看到它们重复出现的模式。

  (这段历史中不幸的是,Hewish 赢得了诺贝尔奖,但评委会却排除了 Bell。)

  大约在同一时间,美国国防部发射了一系列名为 Vela 的卫星,目的是监视苏联是否有任何不轨行为——特别是在违反核试验禁令方面的任何迹象。如果苏联进行核爆炸,它会释放出大量的伽马射线,而 Vela 卫星可以从太空探测到。

  Vela 卫星确实看到了许多伽马射线闪光——但它们来自错误的方向。多年来,这些卫星一直监测着来自深空的一次又一次闪光,并将这些神秘事件记录下来。

  1973 年,这些卫星终于向天文学家们泄露了这个秘密,伽马射线天文学由此诞生。经过几十年的研究,天文学家们意识到,伽马射线信号有许多不同的类型,其中一种,软伽马射线重复器,正像其名字所暗示的那样,它会重复出现。

  要产生伽马射线(即使是仍然非常强大的“软”伽马射线),你需要大量的能量,特别是在电磁场的形式下。而要使这些发射成为规律性的,你需要一些东西在旋转。天体物理学家意识到,对这些软伽马射线暴起源的最佳解释是,它们是脉冲星的增强版本,这意味着它们是高度磁化的中子星。

  在 20 世纪 90 年代,磁星的概念诞生了。

它才是宇宙终极武器

  磁场机器

  中子星是在超新星爆炸的烈焰之心 中 产生的。当一颗巨星接近生命的终结时,它会以如此之高的压力压碎其碳和氧核心,以至于电子和质子会融合在一个被称为“逆β衰变”的过程中,产生一个几乎由纯中子组成的固体质量。这个原始中子星能够(短暂地)抵抗恒星的坍缩,触发超新星的爆发。有时,中子星的质量会坍缩成黑洞,但有时,它会幸存下来。

  当一颗中子星第一次从超新星的残骸中出现时,它的温度将达到 1000 万到 2000 万开尔文。这种高温迫使中子循环,形成快速移动的环形对流单元。这些单元将热量从内部带到表面,在那里它可以辐射到太空。在这些高温下,中子表现得像流体,允许任何剩余的电子和质子自由游荡。

  如果中子星的旋转速度足够快(如果它的母星也在快速旋转,就会出现这种情况),快速旋转、对流和自由移动的电荷的组合就会形成一个发电机机制:循环的电荷产生一个弱磁场。然后,对流单元的运动导致磁场折叠在自己身上,这放大了它。每一次旋转,磁场都会变强。

  类似的机制发生在地心内部,产生我们的磁场,只是能量低得多。由于中子星所涉及的能量,事情很快就会失去控制。

  在短短的 10 秒钟内,一颗新生的中子星可以产生已知宇宙中最强的磁场。在同样的时间里,狂热的对流和旋转使中子星冷却下来,关闭了发电机机制。通常情况下,这将导致磁场消失(如果地球的核心冷却下来,我们的核心也会发生这种情况)。但是由于中子星奇怪的物理学,质子和电子成为超流体,可以在没有任何电阻的情况下保持运动。这允许磁场锁定,在中子星冷却后很长时间内仍然存在。

  奇怪的是,如果新生中子星的旋转速度太快,它将不会产生强磁场,因为对流会在磁场有足够时间建立起来之前将中子星冷却。因此,只有大约十分之一的中子星才能成为磁星。

  蹑手蹑脚,但带着巨大的磁铁

  我说磁星拥有宇宙中最强的磁场,这可不是开玩笑的。为了说明这一点,让我们从你熟悉的东西开始,即地球的磁场,然后逐级往上走。

  在北极测得的地球磁场强度约为 0.5 高斯。在最强的情况下,我们的星球可以将这个数字翻一番。这相当令人印象深刻——它是太阳系中岩石行星中最强大的磁场——足以推动指南针指针旋转,便于导航。

  你冰箱上贴的那种磁铁的强度大约是地球磁场的 100 到 200 倍,可以轻松抵消整个地球的引力。

  离开地球,太阳黑子的磁场强度可达 4,000 高斯,是太阳系中最强大的。

  人类能够制造一些非常强大的磁铁。最强大的持续电磁铁的强度可达数万高斯。如果你曾经做过核磁共振,你已经亲身体验了大约 10,000 高斯的磁场,没有任何不良影响(如果你记得摘下你的珠宝)。对于我们来说,制造更强的持续磁场很困难,因为它们往往会摧毁我们用来制造它们的设备。也就是说,在聚焦爆炸中,我们可以制造出在几微秒内达到 1000 万高斯的磁场。

  如果你设法到达了磁星的表面,你的单个原子将变得只有原来的 1% 那么宽。

  一颗典型的磁星的表面磁场强度为 10^14 到 10^15 高斯,内部磁场强度则强 10 倍。

  这不是笔误。磁星的磁场强度比地球强约一千万亿倍,比人类所能达到的最强磁场强约一百亿倍。

  如果你进入距离磁星约 1,000 公里的范围内,你就会死。立即死亡。抛开这些物体不断释放的大量 X 射线辐射不谈(我们稍后会讨论),磁场会让生命变得完全不可能。问题在于,原子是由带正电的质子和带负电的电子组成的。在弱磁场中,这没有任何区别。但在强磁场中,电子和质子的反应不同。原子失去它们的传统形状,电子轨道变得沿着磁场线的方向拉长。

  如果你设法到达了磁星的表面,你的单个原子将只有原来的 1% 那么宽。当原子变成针时,我们所知的原子物理学就会崩溃。所有原子用来将自己粘合在一起形成复杂分子的化学键也会崩溃。

  换句话说,磁星的静态磁场足以将你解离。你所由的分子会简单地分解成形状奇怪的原子。

  这些疯狂强大的磁场还会影响时空的真空和量子泡沫,即亚原子尺度上不断出现和消失的粒子海洋。其中许多粒子带电,在这些磁场强度下,粒子会以接近光速的几百分比的速度绕着磁场线旋转。这会在真空本身中产生一种叫做双折射的现象。就像普通玻璃纸一样,双折射可以将光线分解成不同的方向,导致奇怪的光学错觉、扭曲和放大——所有这些都是由磁场的存在引起的。

它才是宇宙终极武器

  一颗杀手的核心

  与所有中子星一样,磁星并不大。一颗典型的中子星直径只有约 20 公里。但在这个小范围内,它们可以容纳相当于两倍太阳质量的物质,使其成为宇宙中已知密度最高的物体,仅次于黑洞本身(从传统意义上讲,黑洞不是物体)。一茶匙中子星物质的重量约为 1 亿吨。为了抵抗灾难性的引力坍缩,中子星不依赖于核聚变释放的能量,而是依赖于一种叫做简并压力的奇特量子现象。

  在与原子核相当的密度下,构成这些物体大部分的中子无法同时占据相同的能量状态。这限制了它们所能达到的密度。另一种看待简并压力的方法是记住海森堡的不确定性原理:你永远无法同时精确地知道粒子的位置和速度。通过将中子紧紧地压在一起,你非常清楚地知道它们的位置。但这会导致它们的速度飙升,像愤怒的被困蜜蜂一样振动。这种嗡嗡的声音提供了一种抵抗进一步坍缩的压力。

  磁星内部发生的事情纯粹是猜测。物理学家认为,磁星的表面覆盖着一层由重原子核和自由电子组成的壳层。由于巨大的引力,这些表面非常光滑;最高的“山峰”只有几厘米高。但不要认为它们微不足道。如果你从其中一座山上掉下来,当你到达底部时,你将已经以接近光速的一半的速度飞行。

  更深入到磁星内部,原子核最终会在中子的海洋中解离。由于巨大的压力,中子被压缩和压成奇怪的形状:块状、管状和其他缠绕在一起的结,被亲切地称为“核意大利面”。磁星的核心超出了已知物理学的范畴。它可能只是中子的超流体或其他奇怪的物质状态(例如,由奇怪夸克组成的汤)。

  全副武装并投入战斗

  在普通的中子星中,产生辐射的能力来自于它们的初始形成热量以及随着它们减速而失去的旋转能量。对于磁星来说,磁场中包含的能量完全淹没了任何其他来源。如果你通过 E/c^2 将其能量密度转化为质量,磁场的密度将比铅高 10,000 倍。

  由于其近 2000 万开尔文的表面温度,磁星本身足够热,可以产生大量的 X 射线辐射。但对于磁星来说,还有更多。磁星的磁场以光速的相当一部分速度击打其周围的粒子。这些高能粒子然后撞击任何在附近游荡的光子,通过一个叫做康普顿散射的过程给它们充能,并将它们转化为更多的 X 射线。

  相同的磁场将带电粒子直接引导到地壳中,就像我们自己的极光的一种增强版本,产生更多的 X 射线。

  结果是,磁星的亮度约为太阳的 100 倍,但它们产生的所有辐射都来自一个大致相当于曼哈顿大小的体积。此外,磁星几乎只以 X 射线辐射,这比我们自己的恒星所产生的温和热量要危险得多。

  偶尔,磁星会发生磁重联,这是磁场线突然重新排列的过程。这一过程会释放出巨大的能量,以伽马射线的形式爆发,照亮整个星系。这些伽马射线暴是宇宙中最强大的爆炸之一,可以杀死数光年内的任何生命。

  伽马射线暴的威力是如此之大,以至于它们可以在地球上被探测到。事实上,伽马射线暴是天文学家发现磁星的主要方式之一。

  磁星还可能与另一种神秘的现象有关,即快速射电暴 (FRB)。FRB 是来自宇宙深处的短暂、明亮的无线电脉冲。它们的起源仍然是一个谜,但一些天文学家认为,它们可能是由磁星的磁场突然断裂引起的。

  磁星的生命相对短暂。在短短几万年内,它们的磁场会逐渐衰减,最终变得与普通的中子星一样。在此期间,磁星会不断地旋转减速,并释放出越来越多的 X 射线。

  最终,磁星的磁场会变得太弱,无法再产生 X 射线。它将成为一颗普通的脉冲星,只发出微弱的无线电信号。

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