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直径10公里的中子星,最高山不足1毫米,宇宙有完美的球形天体吗

天体物理 | 感谢姿势分子knowledge投递 2021-07-22 525

相信很多人都曾经有一个疑问,那就是宇宙中的天体为什么都是圆的。

关于这个问题,我们曾经专门发文解释过。说到底,其实是万有引力的结果。对于质量足够大的天体来说,它们都可以克服固体引力,从而达到流体静力平衡的形状,也就是球形。

(图片说明:宇宙天体几乎都是球状的)

什么意思呢?

比如:你往一个坑里倒一瓶水,毫无疑问,这瓶水最终会流到坑的最深处。为什么呢?因为坑的最深处最接近地球引力的中心,也叫做地球的质心,这个位置就在地球的几何中心处。如果你一直倒水,那么水就会一直填满当时的最深处,直到这个坑被填满。想象一下,如果地球的表面完全都被水覆盖,那么地球所有的“坑”都被填平,当然是球形的了。

水的流动性大,固体的流动性小。你可能以为,地表全是岩石,这些岩石这么坚固,怎么可能像水一样流淌?的确是这样,不过,当一颗天体的质量足够大时,就能够“克服固体引力”了。

(图片说明:星际天体奥陌陌呈现出诡异的雪茄形状)

所以,当你看太空中的小行星时,就会发现它们的形状光怪陆离,五花八门。国际天文学联合会也在2006年时下了定义,当一颗天体直接绕太阳公转且不能成球形时(彗星除外),它就是一颗小行星。如果它的质量足够大,克服了固体引力而达到球形,它就可以升级为矮行星或者行星了。

当然了,即使是天体质量再大,也不能达到绝对完美的球形。绝对的完美只存在于理论上的理想状态,而不是我们这个真实的宇宙中。

(图片说明:阿波罗17号拍摄的地球图像)

以地球为例,由于板块构造运动等各种原因,地形非常复杂,也有海沟、盆地或者丘陵、高原。众所周知的世界最高峰珠穆朗玛峰,高度达到了8848.86米。或者是最深的马里亚纳海沟,最深处达到了11公里。

不过,和地球12756公里的直径相比,这些高度和深度就显得微不足道了。如果将地球比喻成一个篮球的话,珠穆朗玛峰的高度就和一粒灰尘差不多。所以,我们基本上可以说地球非常圆了(当然考虑到赤道直径和两极直径的差距的话就是另一回事了)。

在宇宙中,地球却远远谈不上是最圆的星球。有一种天体,远比地球圆得多,也比地球极端、诡异得多,那就是中子星。

(图片说明:中子星艺术图)

中子星是一种通过超新星爆发而形成的极端天体,密度极大,引力极强。由于强大的引力把电子都压进原子核并与质子结合为中子,所以原子内部巨大的空旷区域荡然无存,以至于中子星体积极小,通常直径只有10公里左右。但是,它们的质量非常大,是太阳的1.4-3倍,也就是地球的46万-100万倍!

想一想,如此巨大的质量,集中在这么小的体积内,将是何等恐怖的密度!毫不夸张地讲,一立方厘米的中子星,质量就能超过1亿吨!而且,由于质量巨大,半径极小,中子星表明的引力也非常恐怖,是地球表面的40万亿倍!

如此恐怖的质量和引力,是否足以让中子星形成一个绝对完美的球形呢?

(图片说明:一勺中子星的质量比整个青藏高原还大)

很遗憾,似乎宇宙中真的没有绝对完美的球形。即便是中子星这样的极端天体,也做不到这一点。早在几十年前,科学家们就曾经预言,中子星的表面也可能会有一些山脉。虽然直径最多也不足30公里,但这种天体的表面也不是绝对平滑的。只不过,对于中子星上山脉的高度,科学家们始终没有定论。

南汉普顿大学的Fabian Gittins介绍:在中子星上,一座山的高度是非常有限的。一旦达到了极限,地表就会破裂。对于这个极限,科学家们花了二十年的时间,仍然没有找到答案。不过这一次,他们似乎回答了这个问题。

他们利用计算机建模的方式,模拟了一颗真实的中子星,并且对它的作用力进行了计算。在2021年英国全国天文学会议上,Gittins介绍了他们的研究成果。

(图片说明:如果出现在地球附近,中子星的引力足以摧毁整个地球)

通过这个模拟,他们首先证实了一点,那就是中子星确实是一些非常细微的拓扑变形。换句话说,中子星上的确有类似于行星表面上山脉的地形。

不过,中子星上的山脉非常低矮,甚至连1毫米都没有。这个数据非常惊人,要知道,此前科学家们认为中子星上的凸起可以达到几厘米,而这次的研究直接将中子星上山脉的理论极限高度降低了上百倍!不过,即便它们如此低矮,我们仍然可以称之为是山脉。话说回来,10公里直径的中子星,山脉高度不超过1毫米,这样的球体已经相当完美了。

除了这两点之外,这次研究还有进一步的意义,那就是引力波的探测。

(图片说明:引力波艺术图)

引力波是爱因斯坦通过广义相对论预言的一种现象,那就是大质量天体在运行过程中会产生时空涟漪,被我们探测到。目前来说,我们观测引力波的主要手段,就是致密双星的碰撞过程。不过,大质量天体的自转,也可以产生引力波,这同样是我们了解这些天体的重要手段。

对于中子星来说,就是这样的情况。如果它的表面有微小的山脉,那么相较于周围相对平坦的表面,这里产生的时空涟漪会有所不同。形象地比喻一下,就好像一个人摸自己的脸,所有位置手感都一样,但是在某个部位有一块凸起,他就会知道这里长了一个疙瘩。同样的,通过引力波的特征,我们就可以探测到中子星上的微小山脉。

不过,问题还在于上面提到的那一个:和10-30公里的直径相比,不足1毫米的山实在太不起眼了。考虑到这些中子星动辄距离我们几千甚至上万光年,想要探测如此细微的引力波,确实是有些困难。这就有待于我们进一步提升引力波探测技术,才有可能看到这些诡异的山脉。

不管怎么说,虽然在形状方面中子星已经相当接近球形了。但要是谈及绝对完美的球形,或许真的不存在吧。


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