中子星的表面重力是地球的7000亿倍,掉向它的物体能超过光速吗?
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题主所问中子星表面重力极大,达到了地球的7000亿倍,掉向它的物体能否超过光速?答案是否定的,永远不可能超过光速。
先来看一下什么是中子星
之前我有个回答,就是介绍恒星寿命的,有兴趣的朋友们可以参考一下。简单的来说,恒星在生命的末期,
中子星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的,质量小的恒星,可能演化为白矮星;质量较大的恒星经过超新星爆发能够形成中子星,质量更大的能够形成黑洞。据测算,当处于老年期的恒星质量大于10个太阳质量时,就有可能演变为一颗中子星。
对于大质量的恒星,从恒星状态到中子星状态的演化过程可以简单的描述为:当恒星内核的氢在核聚变反应中消耗将要完毕后,恒星内部温度和压力达到氦聚变为碳的条件时,剩余的氢和新生成的氦都开始发生聚变反应,恒星体积逐渐膨大,如果质量更大的恒星,其内部会继续发生碳和更重元素的核聚变反应,一直持续到铁为止。当恒星膨胀到一定程度之后,相应内部的铁也积累到顶峰,恒星内各种核聚变反应就都会停止,向外的辐射压消失,只剩下对外围的引力作用,恒星周围的物质就会以极高的速度被吸进恒星内核,这就是被科学界称为的“恒星塌缩”。随着大量外围物质向核心坠落,强大的动能碰到内核以后会释放极高的热能,引发超新星爆发,抛洒出大量比铁还重的金属物质,同时内核继续压缩,将原子核外层的电子都压入到了原子核内,与质子结合形成中子,中子的数量逐渐增加后,其中子流体压力与向内的塌缩引力相平衡后,稳定的中子星就这样逐渐诞生了。
中子星的特征
由于中子星是由于恒星的塌缩而形成,有人把中子星看作是黑洞的临界状态,但它和黑洞还有本质的不同。中子星的主要特征有:
超高的密度:经估测,其密度约为水的10^14次方,与原子核内部密度大体相同。中子星上每立方厘米的物质,其重量可达到十亿吨之巨。
有限的质量:由于中子星是由恒心演化而来,而且在形成的过程中有大量的物质被抛洒出去,所有其质量要比原来的“母体”恒星还要轻。目前观测到的中子星,经过有关计算验证,其质量存在上限,相当于2倍以内的太阳质量,同时也存在下限,相当于0.1个太阳质量。
超强的磁场:经估算,中子星的磁场强度可达到10^12高斯,而地球磁场强度才有500毫高斯,两者相差12-13个数量级。在强大磁场的作用下,中子星在高速自转的同时,会发出强大的射电波束,在地球上我们用射电望远镜可以观测到这种“脉冲”现象。
中子星表面重力加速度和引力的区别
中子星表面的确有极大的重力加速度,但这个加速度的产生,并非来自于中子星的质量,而是由于恒星塌缩引起的,根据重力加速度公式g=GM/(r^2),中子星的超高重力,仅会存在于中子星表面的一个很小的空间内,而且会随着高度的降低而按照距离的平方进行衰减,也就是说只有在物质撞击中子星内核时才会获得极高的速度。
最高速度大约能有多少
有的科学家通过计算,中子星的逃逸速度大约为0.3-0.5倍光速,可以简单地设想一下,通过能量守恒定律,既然这样的速度区间可以逃逸中子星的引力,那么反过来物质在坠落过程中达到的速度也估计就是在这样的区间以内。
我们可以初步地应用引力势能公式E=-(GMm)/R来计算距离中子星表面一定数值的物质的引力势能,那么就可以求出到达中子星表面的引力势能差,然后再应用相对论中的动能公式Ek=(r-1)*mc^2,通过引力势能差与Ek值相等,我们可以计算r的值,从而推导出最终物质撞击中子星内核的速度,我粗略地算了一下,这个速度大约为光速的35%左右,这个计算过程还需要进一步的检验其正确性与精确性,毕竟我这方面不是太专业,仅用学习到的有关知识进行了一下推理,不足之处还请大家关注留言批评指正。
答:不能,中子星强大的引力可以让掉入它的物体接近光速,但是不可能超过光速。
大质量恒星在演化末期有可能发生超新星爆炸,如果爆炸后留下的核心质量在1.4~3倍太阳质量之间,就有可能形成一颗中子星,比如距离地球最近的中子星代号为“1RXS J141256.0+792204”,距离地球250~1000光年。
中子星拥有极端的性质,比如:
(1)极高的密度,密度高达10亿吨每立方厘米,相当于把地球压缩成直径22米的球体。
(2)引力超过地球的1000亿倍。
(3)超强的磁场,2018年日本在实验室制造出1200特斯拉的超强磁场,是地球磁场的30多万倍,而某些中子星的磁场,可以达到1000亿特斯拉;如果中子星的磁极和自转极点不重合,就会产生周期性的射电波,如果射电波扫过地球,这颗中子星就成了脉冲星。
那么中子星强大的引力,可以把掉入中子星的物质加速到光速吗?答案当然是否定的,由于相对论的光速限制,掉入中子星的实体物质不能达到或者超过光速。中子星强大的引力足以让光线发生明显弯曲,在这样的强引力下,牛顿力学已经不再适用,需要使用相对论来诠释。
这时候计算物质落入中子星的速度,只需计算物质在未落入中子星时的引力势能即可,以中子星表面为零势能点,物体的引力势能肯定是有限值,此时计算物体动能将用到相对论动能方程。
物体要加速到光速,所需的势能是无限的,所以物体掉入中子星不可能达到或者超过光速。更严谨的计算表明,中子星表面的逃逸速度高达光速的30%~50%,这其实也是静止物体掉入中子星时的速度。我的内容就到这里,喜欢我们文章的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!