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直徑10公里的中子星，最高山不足1毫米，宇宙有完美的球形天體嗎

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2022年3月29日 -
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相信很多人都曾經有一個疑問，那就是宇宙中的天體為什麼都是圓的。 
關於這個問題，我們曾經專門發文解釋過。 說到底，其實是萬有引力的結果。 對於質量足夠大的天體來說，它們都可以克服固體引力，從而達到流體靜力平衡的形狀，也就是球形。 
（圖片說明：宇宙天體幾乎都是球狀的）
什麼意思呢？
比如：你往一個坑裏倒一瓶水，毫無疑問，這瓶水最終會流到坑的最深處。 為什麼呢？因為坑的最深處最接近地球引力的中心，也叫做地球的質心，這個位置就在地球的幾何中心處。 如果你一直倒水，那麼水就會一直填滿當時的最深處，直到這個坑被填滿。 想象一下，如果地球的表面完全都被水覆蓋，那麼地球所有的“坑”都被填平，當然是球形的了。 
水的流動性大，固體的流動性小。 你可能以為，地表全是岩石，這些岩石這麼堅固，怎麼可能像水一樣流淌？的確是這樣，不過，當一顆天體的質量足夠大時，就能夠“克服固體引力”了。 
（圖片說明：星際天體奧陌陌呈現出詭異的雪茄形狀）
所以，當你看太空中的小行星時，就會發現它們的形狀光怪陸離，五花八門。 國際天文學聯合會也在2006年時下了定義，當一顆天體直接繞太陽公轉且不能成球形時（彗星除外），它就是一顆小行星。 如果它的質量足夠大，克服了固體引力而達到球形，它就可以升級為矮行星或者行星了。 
當然了，即使是天體質量再大，也不能達到絕對完美的球形。 絕對的完美只存在於理論上的理想狀態，而不是我們這個真實的宇宙中。 
（圖片說明：阿波羅17號拍攝的地球圖像）
以地球為例，由於板塊構造運動等各種原因，地形非常複雜，也有海溝、盆地或者丘陵、高原。 眾所周知的世界最高峰珠穆朗瑪峰，高度達到了8848.86米。 或者是最深的馬裏亞納海溝，最深處達到了11公裏。 
不過，和地球12756公裏的直徑相比，這些高度和深度就顯得微不足道了。 如果將地球比喻成一個籃球的話，珠穆朗瑪峰的高度就和一粒灰塵差不多。 所以，我們基本上可以說地球非常圓了（當然考慮到赤道直徑和兩極直徑的差距的話就是另一回事了）。 
在宇宙中，地球卻遠遠談不上是最圓的星球。 有一種天體，遠比地球圓得多，也比地球極端、詭異得多，那就是中子星。 
（圖片說明：中子星藝術圖）
中子星是一種通過超新星爆發而形成的極端天體，密度極大，引力極強。 由於強大的引力把電子都壓進原子核並與質子結合為中子，所以原子內部巨大的空曠區域蕩然無存，以至於中子星體積極小，通常直徑只有10公裏左右。 但是，它們的質量非常大，是太陽的1.4-3倍，也就是地球的46萬-100萬倍！
想一想，如此巨大的質量，集中在這麼小的體積內，將是何等恐怖的密度！毫不誇張地講，一立方厘米的中子星，質量就能超過1億噸！而且，由於質量巨大，半徑極小，中子星表明的引力也非常恐怖，是地球表面的40萬億倍！
如此恐怖的質量和引力，是否足以讓中子星形成一個絕對完美的球形呢？
（圖片說明：一勺中子星的質量比整個青藏高原還大）
很遺憾，似乎宇宙中真的沒有絕對完美的球形。 即便是中子星這樣的極端天體，也做不到這一點。 早在幾十年前，科學家們就曾經預言，中子星的表面也可能會有一些山脈。 雖然直徑最多也不足30公裏，但這種天體的表面也不是絕對平滑的。 只不過，對於中子星上山脈的高度，科學家們始終沒有定論。 
南漢普頓大學的Fabian Gittins介紹：在中子星上，一座山的高度是非常有限的。 一旦達到了極限，地表就會破裂。 對於這個極限，科學家們花了二十年的時間，仍然沒有找到答案。 不過這一次，他們似乎回答了這個問題。 
他們利用計算機建模的方式，模擬了一顆真實的中子星，並且對它的作用力進行了計算。 在2021年英國全國天文學會議上，Gittins介紹了他們的研究成果。 
（圖片說明：如果出現在地球附近，中子星的引力足以摧毀整個地球）
通過這個模擬，他們首先證實了一點，那就是中子星確實是一些非常細微的拓撲變形。 換句話說，中子星上的確有類似於行星表面上山脈的地形。 
不過，中子星上的山脈非常低矮，甚至連1毫米都沒有。 這個數據非常驚人，要知道，此前科學家們認為中子星上的凸起可以達到幾厘米，而這次的研究直接將中子星上山脈的理論極限高度降低了上百倍！不過，即便它們如此低矮，我們仍然可以稱之為是山脈。 話說回來，10公裏直徑的中子星，山脈高度不超過1毫米，這樣的球體已經相當完美了。 
除了這兩點之外，這次研究還有進一步的意義，那就是引力波的探測。 
（圖片說明：引力波藝術圖）
引力波是愛因斯坦通過廣義相對論預言的一種現象，那就是大質量天體在運行過程中會產生時空漣漪，被我們探測到。 目前來說，我們觀測引力波的主要手段，就是致密雙星的碰撞過程。 不過，大質量天體的自轉，也可以產生引力波，這同樣是我們了解這些天體的重要手段。 
對於中子星來說，就是這樣的情況。 如果它的表面有微小的山脈，那麼相較於周圍相對平坦的表面，這裏產生的時空漣漪會有所不同。 形象地比喻一下，就好像一個人摸自己的臉，所有位置手感都一樣，但是在某個部位有一塊凸起，他就會知道這裏長了一個疙瘩。 同樣的，通過引力波的特征，我們就可以探測到中子星上的微小山脈。 
不過，問題還在於上面提到的那一個：和10-30公裏的直徑相比，不足1毫米的山實在太不起眼了。 考慮到這些中子星動輒距離我們幾千甚至上萬光年，想要探測如此細微的引力波，確實是有些困難。 這就有待於我們進一步提升引力波探測技術，才有可能看到這些詭異的山脈。 
不管怎麼說，雖然在形狀方面中子星已經相當接近球形了。 但要是談及絕對完美的球形，或許真的不存在吧。

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相信很多人都曾經有一個疑問，那就是宇宙中的天體為什麼都是圓的。

關於這個問題，我們曾經專門發文解釋過。說到底，其實是萬有引力的結果。對於質量足夠大的天體來說，它們都可以克服固體引力，從而達到流體靜力平衡的形狀，也就是球形。

（圖片說明：宇宙天體幾乎都是球狀的）

什麼意思呢？

比如：你往一個坑裏倒一瓶水，毫無疑問，這瓶水最終會流到坑的最深處。為什麼呢？因為坑的最深處最接近地球引力的中心，也叫做地球的質心，這個位置就在地球的幾何中心處。如果你一直倒水，那麼水就會一直填滿當時的最深處，直到這個坑被填滿。想象一下，如果地球的表面完全都被水覆蓋，那麼地球所有的“坑”都被填平，當然是球形的了。

水的流動性大，固體的流動性小。你可能以為，地表全是岩石，這些岩石這麼堅固，怎麼可能像水一樣流淌？的確是這樣，不過，當一顆天體的質量足夠大時，就能夠“克服固體引力”了。

（圖片說明：星際天體奧陌陌呈現出詭異的雪茄形狀）

所以，當你看太空中的小行星時，就會發現它們的形狀光怪陸離，五花八門。國際天文學聯合會也在2006年時下了定義，當一顆天體直接繞太陽公轉且不能成球形時（彗星除外），它就是一顆小行星。如果它的質量足夠大，克服了固體引力而達到球形，它就可以升級為矮行星或者行星了。

當然了，即使是天體質量再大，也不能達到絕對完美的球形。絕對的完美只存在於理論上的理想狀態，而不是我們這個真實的宇宙中。

（圖片說明：阿波羅17號拍攝的地球圖像）

以地球為例，由於板塊構造運動等各種原因，地形非常複雜，也有海溝、盆地或者丘陵、高原。眾所周知的世界最高峰珠穆朗瑪峰，高度達到了8848.86米。或者是最深的馬裏亞納海溝，最深處達到了11公裏。

不過，和地球12756公裏的直徑相比，這些高度和深度就顯得微不足道了。如果將地球比喻成一個籃球的話，珠穆朗瑪峰的高度就和一粒灰塵差不多。所以，我們基本上可以說地球非常圓了（當然考慮到赤道直徑和兩極直徑的差距的話就是另一回事了）。

在宇宙中，地球卻遠遠談不上是最圓的星球。有一種天體，遠比地球圓得多，也比地球極端、詭異得多，那就是中子星。

（圖片說明：中子星藝術圖）

中子星是一種通過超新星爆發而形成的極端天體，密度極大，引力極強。由於強大的引力把電子都壓進原子核並與質子結合為中子，所以原子內部巨大的空曠區域蕩然無存，以至於中子星體積極小，通常直徑只有10公裏左右。但是，它們的質量非常大，是太陽的1.4-3倍，也就是地球的46萬-100萬倍！

想一想，如此巨大的質量，集中在這麼小的體積內，將是何等恐怖的密度！毫不誇張地講，一立方厘米的中子星，質量就能超過1億噸！而且，由於質量巨大，半徑極小，中子星表明的引力也非常恐怖，是地球表面的40萬億倍！

如此恐怖的質量和引力，是否足以讓中子星形成一個絕對完美的球形呢？

（圖片說明：一勺中子星的質量比整個青藏高原還大）

很遺憾，似乎宇宙中真的沒有絕對完美的球形。即便是中子星這樣的極端天體，也做不到這一點。早在幾十年前，科學家們就曾經預言，中子星的表面也可能會有一些山脈。雖然直徑最多也不足30公裏，但這種天體的表面也不是絕對平滑的。只不過，對於中子星上山脈的高度，科學家們始終沒有定論。

南漢普頓大學的Fabian Gittins介紹：在中子星上，一座山的高度是非常有限的。一旦達到了極限，地表就會破裂。對於這個極限，科學家們花了二十年的時間，仍然沒有找到答案。不過這一次，他們似乎回答了這個問題。

他們利用計算機建模的方式，模擬了一顆真實的中子星，並且對它的作用力進行了計算。在2021年英國全國天文學會議上，Gittins介紹了他們的研究成果。

（圖片說明：如果出現在地球附近，中子星的引力足以摧毀整個地球）

通過這個模擬，他們首先證實了一點，那就是中子星確實是一些非常細微的拓撲變形。換句話說，中子星上的確有類似於行星表面上山脈的地形。

不過，中子星上的山脈非常低矮，甚至連1毫米都沒有。這個數據非常驚人，要知道，此前科學家們認為中子星上的凸起可以達到幾厘米，而這次的研究直接將中子星上山脈的理論極限高度降低了上百倍！不過，即便它們如此低矮，我們仍然可以稱之為是山脈。話說回來，10公裏直徑的中子星，山脈高度不超過1毫米，這樣的球體已經相當完美了。

除了這兩點之外，這次研究還有進一步的意義，那就是引力波的探測。

（圖片說明：引力波藝術圖）

引力波是愛因斯坦通過廣義相對論預言的一種現象，那就是大質量天體在運行過程中會產生時空漣漪，被我們探測到。目前來說，我們觀測引力波的主要手段，就是致密雙星的碰撞過程。不過，大質量天體的自轉，也可以產生引力波，這同樣是我們了解這些天體的重要手段。

對於中子星來說，就是這樣的情況。如果它的表面有微小的山脈，那麼相較於周圍相對平坦的表面，這裏產生的時空漣漪會有所不同。形象地比喻一下，就好像一個人摸自己的臉，所有位置手感都一樣，但是在某個部位有一塊凸起，他就會知道這裏長了一個疙瘩。同樣的，通過引力波的特征，我們就可以探測到中子星上的微小山脈。

不過，問題還在於上面提到的那一個：和10-30公裏的直徑相比，不足1毫米的山實在太不起眼了。考慮到這些中子星動輒距離我們幾千甚至上萬光年，想要探測如此細微的引力波，確實是有些困難。這就有待於我們進一步提升引力波探測技術，才有可能看到這些詭異的山脈。

不管怎麼說，雖然在形狀方面中子星已經相當接近球形了。但要是談及絕對完美的球形，或許真的不存在吧。