中子星密度高，但硬度怎么样？
首先，要理解中子星的“硬度”，我们得先知道它是个什么东西。中子星是恒星演化到生命末期时，一种质量比太阳稍大一些（但也不是太大）的恒星在超新星爆发后留下的核心。想象一下，把一个比太阳还大的天体，压缩到一个直径不过几十公里的球体里，那种压力有多么恐怖？在这巨大的压力下，原子结构彻底被摧毁，质子和电子被挤压在一起，变成了中子。所以，它叫中子星，成分主要是中子。
那么，中子星的“硬度”到底是指什么呢？这里我们不能用我们日常生活中理解的硬度来类比，比如金刚石的硬度。我们谈论中子星的硬度，更多的是指它的抗形变能力，以及维持其极端结构而不崩溃的能力。你可以把它想象成它的“结构强度”或者“内部抵抗力”。
说到这儿，咱们得说说中子星的内部结构。虽然外表看起来像个球，但里面可不是均质的一块铁板。科学家们根据理论模型推测，中子星的内部大致可以分为几个层：
1. 外壳（Outer Crust）：这一层大概有几百米厚，主要是由铁原子核和自由电子组成，就像一个巨大的“金属”壳。这里的密度和压力虽然也很高，但和内部相比还算“温和”。
2. 内壳（Inner Crust）：再往里，密度和压力继续增加。电子的动能和能量变得非常高，它们会“穿透”原子核，和质子结合形成中子。所以这里会出现一些含有更多中子的原子核（称为“中子富集核”）。
3. 外核（Outer Core）：这是中子星最主要的构成部分，顾名思义，这里主要是自由中子。它们像液体一样流动，但由于它们之间存在强烈的相互作用（强核力），所以不像普通液体那样容易被压缩。在这里，中子本身就拥有极高的能量和动量，它们之间的排斥力也非常大，抵抗着进一步的挤压。
4. 内核（Inner Core）：这是理论上最神秘也最不确定的部分。科学家们还在争论这里到底是什么。可能存在更奇异的物质状态，比如夸克胶子等离子体，或者各种更奇特的粒子组合。如果真的存在夸克物质，那又是另一种层面的“硬度”了。
现在回到“硬度”这个概念。中子星之所以能够维持如此紧凑的结构，不至于因为自身的巨大引力而进一步坍缩成黑洞，正是因为它内部存在着强大的简并压力。
电子简并压力：在中子星的外层，电子被限制在非常小的空间里，根据泡利不相容原理，它们无法占据相同的能量状态，所以会产生一种向外的压力，抵抗引力。
中子简并压力：随着密度的增加，电子简并压力不足以对抗引力，中子也就开始发挥主要作用了。中子本身也是费米子，同样遵循泡利不相容原理。虽然没有电子那么大的动量，但中子数量庞大，它们之间相互作用产生的抵抗力也非常强大。
所以，你可以把中子星的“硬度”理解为这种简并压力和中子之间的强核力共同作用，抵抗引力坍缩的能力。它并不是一种表面的、像金刚石那样可以刮擦的东西，而是内蕴的、抵抗压缩的强大力量。
打个不恰当的比方，就像一个非常非常紧绷的弹簧，或者像一个被压缩到极限但仍然保持形状的巨大物体。你不可能轻易地“刮花”它，因为整个物质本身都处于一种极度抗拒被改变状态的境地。
从物质属性上说，中子星表面的物质是固态的，但这种固态和地球上的石头或金属完全是两码事。它是一种高度简并的、由原子核和简并电子组成的等离子体。科学家们用“坚硬的冰块”来形容它，意思是说它虽然是固态，但其构成和性质与我们熟悉的物质完全不同。
如果非要用一个“硬度计”去测量，那结果可能会让你大跌眼镜。它的“硬度”指数，或者说它的抗压缩能力，远远超过我们能在地球上制造的任何材料。想象一下，即使是超高强度的合金，在模拟中子星内部的压力下，也会瞬间化为乌有。
所以，中子星的“硬度”是它极端密度下，物质内部抵抗进一步压缩的内在力量的体现。它不是一种表面的属性，而是其存在方式本身的一部分，是维持它如此微小又如此致密的关键。它的“硬”，体现在它能承受并对抗宇宙中最强大的引力之一而不被粉碎或坍缩成黑洞。
总而言之，中子星的密度极高，而它的“硬度”则源于其内部粒子（主要是中子）在极端压力下的简并态以及强核力的作用，这使得它拥有巨大的抗压缩能力，能够抵抗自身的引力而不进一步坍缩。它不是我们传统意义上的“硬”，而是一种“不易被压缩改变”的内在力量。
网友意见
外壳是白矮星状态的铁，里面是流体。
根据这个链接的说法，外壳硬度可能是钢铁的100亿倍。http://news.ruanko.com/archives/550
硬度至少是钻石的1亿亿亿倍。
虽然之前在以下回答中写到约为钢铁的100亿倍[1]，不过这个数字最近(2021.4)被另外一个不同的研究更新[2]。
遗憾的是新的方法仍然不是直接用“知乎小勺”挖来测定。
这次研究者选择的方法是自己在实验室制作中子星来测定。恰好以前曾写过一篇「如何制作中子星？」的回答，大家可以参考。下文中也会出现一些诸如“中子过剩核”“π介子”等在该回答中提到过的概念。
好了，开始制作。
原理很简单：既然中子星里尽是中子，我们就模拟这样的构造去制造这样的“中子过剩核”来测定硬度。
中子过剩核意味着原子核密度比通常更大。那要大多少呢？
我们知道，中子星质量与太阳同等，但半径只有10km左右。这意味着从中心部舀一勺体积约1cm^3的中子星物质，其重量可达1亿亿kg——这大概是原子核密度的5~7倍。
问题是，要想在实验室中稳定地制造出像中子星内部存在的高密度物质几乎是不可能的。本次我们用到的方法是通过将加速的原子核撞击到另一个原子核来产生高密度状态。但是，由于此时生成的高密度核物质极不稳定，会在一瞬间崩溃，所以很难调查碰撞中形成了什么样的物质。
因此，研究人员通过使用加速器人工增加或减少中子数，让质量数不同的原子核之间碰撞，系统测量因碰撞而发射出的带有生成的高密度核物质信息的“带电π介子”，将其结果与理论模型进行比较，从而导出中子星内部的硬度。
本次的实验场所是在日本的理研重离子加速器设施RIBF（RI Beam Factory）。利用存在大量稳定同位素的锡( Sn )的RI（放射性同位素）束，生成了中子比通常多的与中子比通常少的两种高密度核物质。
前者由Sn-132原子核（质子数50、中子数82）与 Sn-124原子核（中子数74）碰撞；后者由Sn-108原子核（中子数58）与Sn-112（中子数62）碰撞生成。碰撞的Sn原子核的能量为每个核子270MeV左右，在该能量下，碰撞中心部分的密度可达到原子核密度的1.5~2倍左右（也就是说还是比实际的中子星物质核密度小很多）。
为了比较生成的中子多的高密度核物质和中子少的高密度核物质的硬度差异，需要同时测量由碰撞释放的带电π介子等许多粒子。为此，研究小组事先与美国密歇根州立大学共同开发了三维时间射影型飞行轨迹检测系统「SPiRIT」（图1）。 该系统在多粒子测量装置“SAMURAI Spectrometer”上安装了体积1m^3左右的带电粒子检测器，可以一次测量RI束碰撞产生的多个粒子。 最终，本实验利用SPiRIT成功地系统测量了由中子数不同的两个高密度核物质系统生成的带电π介子。
此前，作为决定高密度核物质状态方程式的有力方法，有人提出了通过使用数值描述原子核之间碰撞的“输送理论模型”的理论计算，进行带电π介子的测量。本次测量的带电π介子被认为带有原子核密度1.5倍的高密度核物质的信息。将两个系统分别放出的带电π介子的能量分布比的差异与输送理论模型进行比较，最终算出1.5倍原子核密度下的中子核物质的硬度（压力）为13±10MeV/fm^3或(2±1.5)×10^29个大气压，这比钻石的硬度大了整整25位数！
图2上边是中子多的高密度核物质，下边是中子少的高密度核物质放出的带电π介子的能量分布比。红线和蓝线表示根据理论模型得出的状态方程式（物质的硬度）的大小的差异。 根据实验值（黑圈）推测出蓝线和红线中间值的硬度最合理。 实线和虚线表示作为计算中不确定因素之一的质量参数的差异。在两个体系中，通过将硬度差异与理论模型进行比较，导出了中子核物质在1.5倍原子核密度下的硬度。
这次，我们求出了1.5倍原子核密度中子过剩的核物质的状态方程式（硬度）。这个状态方程式比以前的精度更高，这不仅可以加深对中子星内部结构的理解，也是数值计算中子星合体和超新星爆炸时的元素合成过程所必须的信息。今后，期待通过测量更高密度、中子更多的原子核物质，有望弄清元素合成过程的更详细情况。
参考
- ^M. E. Caplan et al. Elasticity of Nuclear Pasta. Phys. Rev. Lett. 121, 132701 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.132701
- ^J. Estee et al., "Probing the Symmetry Energy with the Spectral Pion Ratio", Physical Review Letters, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.162701
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