中子星是這個宇宙中威力和影響力僅次於黑洞的特殊天體,它以其巨大的質量、很強的引力特別是高緻密度聞名於世。如果我們有能力將一立方厘米的中子星物質,取出來然後快速地放到地球上,會出現什麼樣的狀態呢?
要解釋這個問題,我們還得從中子星的形成歷程談起。中子星是大質量恆星在生命末期,通過超新星爆發之後,殘留的恆星物質繼續坍縮而成。而恆星的誕生,則得益於在形成過程中不斷吸聚周圍的星際氣體和塵埃等物質,不斷壯大核心區的質量,同時在星際物質向核心區坍縮過程中,通過重力勢能的部分轉化以及物質間的擠壓、碰撞和摩擦,核心區的温度和壓力逐漸提高,當達到700萬攝氏度以上、壓力在幾千萬到上億個大氣壓時,氫原子中的質子便有一定的幾率突破庫侖力的排斥,從而進入到另一個氫原子核中,聚合形成氘,開啓了核聚變的第一步,這個過程被稱為量子隧穿效應,至此之後真正的恆星就登上了歷史的舞台。
恆星之所以能夠維持穩定的形態,一方面取決於內部核聚變過程中所產生的向外輻射壓,與恆星外部物質向內的重力壓力保持相對平衡狀態。另一方面,恆星外層物質沒有持續地發生坍縮,也得益於恆星內部的温度和壓力環境,仍然無法突破電子簡併壓力,也就是説這種電子簡併壓的存在,使得氫原子核中的電子還沒有被壓縮進原子核之中,從而恆星維持着一定的體積。在恆星內部的高温高壓之下,雖然電子與原子核之間的距離會發生一定程度地壓縮,但還沒有達到發生質變的程度。
對於質量較小的恆星(在主序期結束以後,質量仍然低於太陽質量1.4倍)來説,在主序期結束以後,恆星內部的輻射壓驟然減小,外層物質發生較為劇烈的向內坍縮,推動恆星殘餘物質密度持續增大,但由於組成物質較少的原因,在坍縮過程中所產生的壓力,仍然不足以突破電子簡併壓力,只能形成密度較大的白矮星。
但是,對於主序期結束後質量大於1.4倍、小於3.2倍的恆星來説,在超新星爆發之後,由於內核不再產生核聚變反應,剩餘物質繼續發生劇烈坍縮,這種坍縮所產生的壓力,就能夠突破電子簡併壓的束縛,原子核外的電子被巨大的壓力逐步被壓進原子核以內,與質子結合形成中子,從而這種星體的組成物質幾乎全部由中子所組成,這就是中子星的由來。假如連中子之間的簡併壓都不能支撐引力的作用,也就是恆星的殘餘質量太大,大於3.2倍的太陽,這個時候中子就會巨大的壓力進一步壓碎成亞原子級別或者其它不知道的粒子,從而發生持續無限性的收縮,最終演化為黑洞。
在中子星的內部,由於之前原子與原子之間、原子核內部空間都已經被嚴重的壓縮了,所以中子星的密度極高,可以達到每立方厘米10^11千克-10^12千克級別,也就是説如果挖出來一勺中子星,其重量會達到幾億噸甚至幾十億噸。正因為中子星的密度極大,因此中子星的體積較小,通常情況下直徑只有40-50公里。
中子星擁有較大的質量和極強的引力,如果參照黑洞的史瓦西半徑算法,在任何一個星體與質心距離一定範圍之內,都存在着一個區域使得連光線都無法逃脱,比如地球的史瓦西半徑還不到1釐米,太陽的史瓦西半徑為3000米,從這個數據我們可以看出,無論是地球還是太陽,其史瓦西半徑範圍都處於星體表面之內,所以在星體的表面光線是能夠逃逸出去的。
再來看一下中子星的史瓦西半徑,由於其質量一般情況下為太陽質量的1.4-3倍之間,所以其史瓦西半徑也只是5000-9000米之間,所以也處於中子星的表面之內,其表面的逃逸速度最大約為15萬公里每秒,是光速的一半以內,所以光線能夠從中子星表面逃逸出去,如果有外界天體接觸到中子星,不會產生像黑洞那樣的直接吞噬現象,而是在巨大的引力下使兩個星體相互靠近,繼而發生猛烈的碰撞,在極高的温度和壓力條件下,外部天體會慢慢進入中子星的內部,最終成為中子星的一部分。
中子星之所以能夠呈現高緻密性的中子態,是完全由巨大的引力引發的坍縮作用形成的,離開這個壓力環境,中子星也不復存在,所以脱離中子星的整體環境,我們是無法使中子星物質單獨出現的,這就決定了我們無法取出1立方厘米的中子星物質,即使接觸到中子星的航天器,在現有技術條件下也無法擺脱其強大的引力。退一萬步講,我們費了九牛二虎之力取出來了1立方厘米的中子星物質,在脱離其壓力環境之後,這些中子物質會迅速演變為自由中子,然後在很短的時間內就會發生衰變形成質子和電子,我們也無法將其帶到地球上來。
那麼,我們就來一個終極“拷問”,忽略所有的中間環節,直接把1立方厘米的中子星物質瞬間帶到地球表面,會發生什麼?我想,在失去原有的高温、高壓的環境之後,除了在短時間內因中子衰變釋放大量的能量之外,那些質子和電子將會很快融入地球的大氣層,在大氣層中四處飄散,至於1立方厘米中子星物質所釋放的能量,根據中子衰變前後的質量虧損情況,相對應的能量理論上只有幾十萬噸TNT的能量,並不會對地球的整體產生什麼嚴重的影響。