中子星是中性质子组成的？那么它1亿特斯拉的磁场咋来的？
李论科学2019-09-28 16:39
本文参加百家号科学#了不起的天文航天#系列征文
电生磁，磁生电，电磁感应马达转···
上面这个简短的顺口溜是我在矿山工作时，常听老电工师傅说的话！这句话就很明确的交代了物理学中的电磁相互作用，即：变化的电场会感生出变化的磁场，相反磁场到电场也是一样的。当然，带电粒子的运动也会产生感应磁场，还记得我们学过的右手螺旋定理吗？也就是安倍定则，这个法则为我们指出了电流方向和磁感线方向之间的关系。
如果旋转和移动的电荷可以产生磁场，那么问题来了，为什么一个巨大的中性物体会有磁场？这里说的中性物质就是我们熟悉的中子星！关于磁场先从我们这个微不足道的小地球说起吧。
地球和太阳的磁场是怎么产生的？对我们有啥用
我们知道地球有一个强大的感生磁场，其重要性这可不是玩玩指南针这么简单，地球的磁场不仅保护了地球上的大气层免受太阳风的剥离，更是保护了我们这些弱小生命免受太阳辐射粒子的侵害，也顺便为我们带来了美丽的北极光！那么地球的磁场咋来的？这肯定了带电粒子有关。
因为地球有一个熔融、旋转和不断变化的核心，这就相当于一个活跃的磁力发电机，地核产生的磁场延伸到太空，保护地球免受高速带电粒子的威胁，当太阳抛射出的带电粒子到达地球，带电粒子遇到地球磁场，会在洛伦磁力的作用下发生偏转，进入南北极与高层大气相互作用产生极光。
你可能觉得太阳有些暴虐，脾气暴躁总是试图伤害我们，你错了！这只是太阳“爱护”我们的一种方式，因为在太阳系外，由超大质量黑洞、超新星产生的宇宙高能射线其能量才真正代表着宇宙的极限能量，大多以质子为主能量高达5×10^10 GeV，很容易会穿透地球大气层达到地球表面！但我们很少有受到宇宙高能射线的威胁，这是因为太阳日鞘保护着我们太阳系的安全！仿佛在说：我的家事，我说了算！
所以在宇宙这个“辐射炉”中，太阳一直在保护我们的安全。当然太阳的磁场也十分强大，其抛射的等离子体经常会沿着磁场线的路径运动。
我们经常可以看到太阳炽热的电离等离子体向上和向外延伸，其直径是地球的许多倍。有时还会形成一个完整的圆环，像一个炽热的瀑布一样“倾盆而下”。
通过太阳动力学天文台的AIA仪器。我们知道日冕物质抛射形成的结构大约是地球直径的四倍。
通过地球和太阳，我们也能找出共同点，并且知道磁场是咋来的：
物质由原子组成，原子又由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成。重力梯度和温度梯度意味着不同大小、质量和截面的物体受到的影响不同。如果这些现象能产生哪怕是很小的电荷分离，因为太阳和地球在的自转，移动方式不同的电荷就会产生磁场。M1：蟹状星云中的中子星
那么中子星呢？光听名字就知道中子星是由中子组成的，是大质量恒星塌缩后，原子被引力压碎，形成的奇异天体！
而原子核中的中子并不带电，属于中性物质。根据上文我们知道磁场本身是由移动电荷产生的，那么中子星是如何形成磁场的呢？
上图为X光下金牛座中的蟹状星云，距离我们6500光年，也称为M1。由美国宇航局的钱德拉x射线望远镜拍摄的图像。上图可以清晰的看到在星云的核心有一个脉冲中子星，这些X射线正是由于中心的强磁源影响了星云周围的电离等离子体而发出的。
这不仅仅是X光下可以看到中心强磁场的影响，哈勃太空望远镜在可见光中也能看到这些效应！
就规模而言，蟹状星云是在1054年的超新星爆炸中形成的，也就是我国宋朝有记载的那次超新星事件。到目前为止，蟹状星云的直径约为3光年，距离它诞生已近一千年。但让人惊讶的是星云核心中子星磁性特征的大小超过一光年！
中子星并不是中性的，中子星的磁场咋来的
关键是我们要认识到中子星是怎样构成的？它可不仅仅是一个简单的中子球；实际上中子星从外到内有很多分层。依次是：
电子，然后是原子核（如铁），然后是原子核在中子海洋中的分层（如杂质），接着是中子一个到核心的过渡地带，其中核心是中子超流体（一种绝对零摩擦的类液体相），以及其内部各种不同质量的带电粒子杂质。
因此我们说的中子星根本不是一个拥有单一中性粒子的实体！而且中子本身也不是最基本的中性粒子，而是由带电基本粒子夸克组成的复合粒子，夸克彼此具有不同的非整数电荷和质量！
在中子星中，许多结合在一起的中子产生一系列夸克的“udd”结合态。
中子本身就具有固有的磁矩，因为它们是由带电夸克组成的，在中子星内部极高的能量不仅能产生粒子/反粒子对，还能产生奇异粒子。内部的带电粒子也具有高导电性，加上中子星内部仍然存在重力、密度、温度和电导率梯度。
并且在大约10千米的半径范围内，具有典型类太阳恒星的角动量，中子星以10- 70%的光速旋转！
简而言之，中子星所拥有的一切就是1亿特斯拉的磁场配方，大约是地球表面磁场的1万亿倍。
虽然我们目前不能绝对确定中子星的最内层发生了什么，是否有我们未知的高能夸克、μ子和τ子，或者自然界中不存在的其他类型的粒子。在中子星的极端环境中，产生强磁场也是必然的。
这就是中子星产生超强磁场的原因！
下一个比较大的问题是，黑洞内部是否会产生超强磁场？这个是肯定的！那么我们看到黑洞磁场，是在视界内产生的还是在视界外产生的？（比如在吸积盘内)，如果磁场来自内部，这背后的物理原理是什么？下回我们在说这个问题。
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