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最高山不足1毫米,中子星到底有多圓?宇宙中有完美球形的天體嗎

相信很多人都曾經有一個疑問,那就是宇宙中的天體為什麼都是圓的。

關於這個問題,我們曾經專門發文解釋過。說到底,其實是萬有引力的結果。對於質量足夠大的天體來說,它們都可以克服固體引力,從而達到流體靜力平衡的形狀,也就是球形。

最高山不足1毫米,中子星到底有多圓?宇宙中有完美球形的天體嗎


(圖片說明:宇宙天體幾乎都是球狀的)

什麼意思呢?

比如:你往一個坑裡倒一瓶水,毫無疑問,這瓶水最終會流到坑的最深處。為什麼呢?因為坑的最深處最接近地球引力的中心,也叫做地球的質心,這個位置就在地球的幾何中心處。如果你一直倒水,那麼水就會一直填滿當時的最深處,直到這個坑被填滿。想象一下,如果地球的表面完全都被水覆蓋,那麼地球所有的“坑”都被填平,當然是球形的了。

水的流動性大,固體的流動性小。你可能以為,地表全是岩石,這些岩石這麼堅固,怎麼可能像水一樣流淌?的確是這樣,不過,當一顆天體的質量足夠大時,就能夠“克服固體引力”了。

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(圖片說明:星際天體奧陌陌呈現出詭異的雪茄形狀)

所以,當你看太空中的小行星時,就會發現它們的形狀光怪陸離,五花八門。國際天文學聯合會也在2006年時下了定義,當一顆天體直接繞太陽公轉且不能成球形時(彗星除外),它就是一顆小行星。如果它的質量足夠大,克服了固體引力而達到球形,它就可以升級為矮行星或者行星了。

當然了,即使是天體質量再大,也不能達到絕對完美的球形。絕對的完美只存在於理論上的理想狀態,而不是我們這個真實的宇宙中。

最高山不足1毫米,中子星到底有多圓?宇宙中有完美球形的天體嗎


(圖片說明:阿波羅17號拍攝的地球影象)

以地球為例,由於板塊構造運動等各種原因,地形非常複雜,也有海溝、盆地或者丘陵、高原。眾所周知的世界最高峰珠穆朗瑪峰,高度達到了8848.86米。或者是最深的馬裡亞納海溝,最深處達到了11公里。

不過,和地球12756公里的直徑相比,這些高度和深度就顯得微不足道了。如果將地球比喻成一個籃球的話,珠穆朗瑪峰的高度就和一粒灰塵差不多。所以,我們基本上可以說地球非常圓了(當然考慮到赤道直徑和兩極直徑的差距的話就是另一回事了)。

在宇宙中,地球卻遠遠談不上是最圓的星球。有一種天體,遠比地球圓得多,也比地球極端、詭異得多,那就是中子星。

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(圖片說明:中子星藝術圖)

中子星是一種透過超新星爆發而形成的極端天體,密度極大,引力極強。由於強大的引力把電子都壓進原子核並與質子結合為中子,所以原子內部巨大的空曠區域蕩然無存,以至於中子星體積極小,通常直徑只有10公里左右。但是,它們的質量非常大,是太陽的1.4-3倍,也就是地球的46萬-100萬倍!

想一想,如此巨大的質量,集中在這麼小的體積內,將是何等恐怖的密度!毫不誇張地講,一立方厘米的中子星,質量就能超過1億噸!而且,由於質量巨大,半徑極小,中子星表明的引力也非常恐怖,是地球表面的40萬億倍!

如此恐怖的質量和引力,是否足以讓中子星形成一個絕對完美的球形呢?

最高山不足1毫米,中子星到底有多圓?宇宙中有完美球形的天體嗎


(圖片說明:一勺中子星的質量比整個青藏高原還大)

很遺憾,似乎宇宙中真的沒有絕對完美的球形。即便是中子星這樣的極端天體,也做不到這一點。早在幾十年前,科學家們就曾經預言,中子星的表面也可能會有一些山脈。雖然直徑最多也不足30公里,但這種天體的表面也不是絕對平滑的。只不過,對於中子星上山脈的高度,科學家們始終沒有定論。

南漢普頓大學的Fabian Gittins介紹:在中子星上,一座山的高度是非常有限的。一旦達到了極限,地表就會破裂。對於這個極限,科學家們花了二十年的時間,仍然沒有找到答案。不過這一次,他們似乎回答了這個問題。

他們利用計算機建模的方式,模擬了一顆真實的中子星,並且對它的作用力進行了計算。在2021年英國全國天文學會議上,Gittins介紹了他們的研究成果。

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(圖片說明:如果出現在地球附近,中子星的引力足以摧毀整個地球)

透過這個模擬,他們首先證實了一點,那就是中子星確實是一些非常細微的拓撲變形。換句話說,中子星上的確有類似於行星表面上山脈的地形。

不過,中子星上的山脈非常低矮,甚至連1毫米都沒有。這個資料非常驚人,要知道,此前科學家們認為中子星上的凸起可以達到幾釐米,而這次的研究直接將中子星上山脈的理論極限高度降低了上百倍!不過,即便它們如此低矮,我們仍然可以稱之為是山脈。話說回來,10公里直徑的中子星,山脈高度不超過1毫米,這樣的球體已經相當完美了。

除了這兩點之外,這次研究還有進一步的意義,那就是引力波的探測。

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(圖片說明:引力波藝術圖)

引力波是愛因斯坦透過廣義相對論預言的一種現象,那就是大質量天體在執行過程中會產生時空漣漪,被我們探測到。目前來說,我們觀測引力波的主要手段,就是緻密雙星的碰撞過程。不過,大質量天體的自轉,也可以產生引力波,這同樣是我們瞭解這些天體的重要手段。

對於中子星來說,就是這樣的情況。如果它的表面有微小的山脈,那麼相較於周圍相對平坦的表面,這裡產生的時空漣漪會有所不同。形象地比喻一下,就好像一個人摸自己的臉,所有位置手感都一樣,但是在某個部位有一塊凸起,他就會知道這裡長了一個疙瘩。同樣的,透過引力波的特徵,我們就可以探測到中子星上的微小山脈。

最高山不足1毫米,中子星到底有多圓?宇宙中有完美球形的天體嗎

不過,問題還在於上面提到的那一個:和10-30公里的直徑相比,不足1毫米的山實在太不起眼了。考慮到這些中子星動輒距離我們幾千甚至上萬光年,想要探測如此細微的引力波,確實是有些困難。這就有待於我們進一步提升引力波探測技術,才有可能看到這些詭異的山脈。

不管怎麼說,雖然在形狀方面中子星已經相當接近球形了。但要是談及絕對完美的球形,或許真的不存在吧。

分類: 科學
時間: 2021-07-20

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