原标题：脉冲星的密度高达10亿吨每立方厘米，如此高的密度是怎样形成的？

脉冲星是啥？

脉冲星是旋转的中子星，因发出周期性的电磁脉冲而得名，发现于冷战时期的1967年。脉冲星直径大多在10千米左右，自转速度极快，旋转一圈仅耗时几毫秒，而地球自转一周则需要24小时。因为快速的旋转，脉冲星拥有超强的磁场，平均磁场强度至少为几千万特斯拉。强大的磁场将脉冲星的辐射也封闭了起来，只能从两个磁极发射出去。脉冲星的电磁脉冲就是这么产生的。

上图为脉冲星（高速旋转的中子星）结构简图

脉冲星的密度确实高达10亿吨每立方厘米。脉冲星上一汤勺的物质，其重量就比地球上的一座山峰还要重。不相信的可以动手算一算，地球表层岩石的平均密度大约为2.7克每立方厘米。

脉冲星是中子星，那么就来聊一聊中子星

中子星是大质量恒星衰老后演变而成的产物，是除黑洞外宇宙中密度最大的天体，已被天文观测证实。

根据恒星演化理论，恒星渡过其主序星阶段进入生命的末期，就会转变成其它类型的天体。当老年恒星的质量为太阳质量的8~25倍时，恒星在重力的作用下会发生超新星爆发（宇宙间一种极其猛烈的天体爆炸），恒星的外壳物质被抛射进宇宙空间（损失80%以上的质量），裸露出来的内核就形成了中子星。如果恒星的初始质量小于8倍太阳质量，最终只能形成白矮星；初始质量大于25～30倍，会不可避免的形成黑洞。不过科学家还提出了一种名为夸克星的天体，它的密度介于中子星和黑洞之间，目前还未证实是否存在。

由于大量物质聚集在极小的空间范围内，中子星的密度极大，理论上的密度大约在1~20亿吨每立方厘米之间。中子星的质量最大不超过三倍太阳质量，最小不低于1.5倍太阳质量。这么大量的质量集中在半径仅10~30千米的天体上，这意味着中子星表面的重力极强，表面重力加速度也极大。在高压作用下，中子星的表面温度高达上千万度，比太阳核心处的温度还高，中子星核心处的温度更是高达几十亿度。

超强的重力创造了宇宙间的奇迹。地球的半径6000多千米，在地球重力的限制下，地球上最高的山峰不会超过2万米。如果地球能变为中子星，那么地球的直径将缩小至20多米。换算一下，那么中子星表面的山峰或者说凸起最多不超过10厘米。中子星表面的逃逸速度为1～15万千米每秒，大部分物体的运动速度很难达到这么高。除了光，掉到中子星上面的物质基本上就出不来了。如果你从中子星表面1米高的地方掉下去，所产生的撞击能量比地球上所有核武器爆炸的总能量还要大的多。

上图为中子星假想图

对于会发出脉冲的中子星，据科学家估计，其在一秒钟所释放的能量换算成电能，就能够让现有能量消耗水平的人类使用几十亿年。

关于中子星（脉冲星）的超高密度，需要从原子世界说起

压缩一团棉花尚且不易，终究大力出奇迹。对于人类来说，体积庞大的地球压缩成直径20多米的小天体，那么地球上的人类基本上看不到了。对于普通大众来说，这是难以想象的。

下面就让我们来聊一聊，为什么物质拥有如此高的可压缩性？

宇宙间可以看到的物质几乎都是由原子构成的。原子由原子核和核外电子构成，原子核中又包含质子和中子，其中质子带正电、中子不带电、电子带负电。质子和中子是靠强核力束缚在一起的，电子是靠电磁力与原子核结合在一起的。质子和中子的静止质量相近、大小相近，原子核的质量又占原子总质量的99%以上。其实，原子核的密度与中子星的密度很相近。有兴趣的话，大家可以用氢原子核（质子）来算一下。

而原子核又相当小，原子核的直径（10^-15～10^-14米数量级）仅为原子直径（10^-10米数量级）的十万分之一。如果原子有足球场那么大，那么原子核比足球场中的蚂蚁还小，体积和质量都非常小的电子就在这么大的空间中自由翱翔。这么大的空间范围，自然存在可压缩性。至于压缩它需要多大的力量，则是下面要讨论的问题。

通常的理解是电子绕着原子核运转，异性电荷相吸，按理说电子应该掉进原子核，而阻止这一行为的力量便是量子力学中的泡利不相容原理。质子、中子、电子都属于费米子，它们都必须遵守泡利不相容原理。此外，这些微观粒子还具有不确定性。也就是说，电子并不像行星绕恒星那样运转，而是按概率随机分布。这意味着，电子有几率出现在原子核中。比如，质子在一定几率下就可以俘获核外电子，转变为中子。

上图为电子云模型示意图

当费米子相互靠近时，一种基于泡利不相容原理的斥力会阻止这种行为，这种力量被称之为简并压力。想要压缩原子，就必须要克服这种力量。

首当其冲，当引力足够强大时，此时电子的活动范围受到了很大的限制，原子的大小被压缩了，但还不足以和原子核中的质子结合。由核外电子形成的简并压力承受住了这种力量，电子壳层还未破碎，阻止了白矮星进一步坍缩成为中子星。这种状态被称之为电子简并态，白矮星上的物质就处于这种状态。引力和质量有关，白矮星的质量上限被称之为钱德拉赛卡极限，恒星坍缩时剩余的质量不超过太阳质量的1.44倍。

上图为白矮星

当引力继续增强，电子被压缩进原子核，并与原子核内的质子结合成为中子。此时，中子简并压阻止了物质继续坍缩，物质处于中止简并态，而中子星的质量上限则被称之为奥本海默极限（3倍太阳质量）。如果中子简并压被突破，那么物质将会继续坍缩，最终形成黑洞，成为一个体积无限小密度无限大的奇点。

上图为正在吞噬恒星的黑洞

中子星就如同一个体积巨大的原子核，并且完全是由中子构成的原子核。通常中子必须要待在原子核中才能保持稳定。自由中子只有15分钟的寿命，会自发地衰变为质子。中子星这种怪胎的存在，完全是引力的杰作。

可见，在弱引力场下根本不可能存在密度像中子星这样高的宏观物质。那么，用汤勺从中子星上取一小块物质的愿望就实现不了。中子星上的物质一旦离开中子星，就会释放出巨大的能量，并转变为普通物质。中子星上的物质取不走，也许我们可以将中子星打包带走。在一些科幻小说里，中子星就被外星人当做武器。如果一颗中子星出现在太阳系，那对于整个太阳系来说都是灭顶之灾。

好了，这就是中子星（脉冲星）拥有超高密度的原因。

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