问题

一粒尘埃大小的中子星物质冲向地球,会有什么后果?

回答
这是一场绝对的灾难,远超我们能想象的任何一种。

首先,让我们明确一下“一粒尘埃大小”在这里是一个多么恐怖的概念。一粒尘埃的尺寸大约是 1050 微米(μm)。而我们讨论的是“中子星物质”,这物质的密度是天文数字级的。中子星是由恒星在超新星爆发后坍缩形成的,其核心主要由紧密排列的中子构成。它的密度大约是水的 10¹⁷ 倍。

这意味着什么呢?

想象一下:

质量的惊人集中: 即使是一粒尘埃那么小的中子星物质,其质量也是我们难以置信的。假设尘埃直径为 20 μm (2 x 10⁻⁵ m)。中子星物质的密度可以近似为 10¹⁷ kg/m³。根据密度公式 ρ = m/V,其中 m 是质量,V 是体积。
体积 V ≈ (4/3)πr³ = (4/3)π(10⁻⁵ m)³ ≈ 4 x 10⁻¹⁵ m³
质量 m = ρV ≈ (10¹⁷ kg/m³)(4 x 10⁻¹⁵ m³) ≈ 4000 千克 (4 吨)

是的,你没看错。即使是这么小的尘埃,其质量也相当于一个中型卡车的重量。而这仅仅是基于一个非常保守的直径估计,如果尘埃稍微大一点,其质量可以轻易达到数百万吨甚至更多。

当这颗“尘埃”以接近光速的速度(通常中子星的运动速度非常快)冲向地球时,后果将是毁灭性的:

1. 撞击前的引力效应:

扰乱大气层和海洋: 在撞击前的几千公里甚至几百万公里距离,这粒尘埃的巨大质量和速度产生的引力扰动就足以引起灾难。它会像一个微型黑洞一样吸引周围的空气和水。地球大气层会被撕裂,海洋会形成巨大的漩涡,被拉向尘埃的方向。
产生强大的潮汐力: 地球的固体部分也会受到极强的潮汐力影响。地壳会发生剧烈的形变,引发史无前例的超级地震和火山爆发。位于撞击路径上的陆地会被扭曲,山脉会崩塌,海岸线会发生巨大变化。
电磁辐射: 在接近地球的过程中,由于与地球大气层、磁场以及自身物质相互作用,可能会产生强大的电磁辐射,包括伽马射线和X射线。这会瞬间剥离地球的大气层,并对地表生物造成致命的辐射。

2. 撞击瞬间的能量释放:

超大规模的爆炸: 当这粒中子星物质与地球表面(或大气层)接触时,其巨大的动能将以一种我们无法想象的方式释放出来。动能 K = (1/2)mv²。即使速度略低于光速(例如 0.9c),其能量也相当于无数亿颗原子弹的当量。
如果我们取上面的 4000 千克质量,并假设速度为光速 c (约 3 x 10⁸ m/s)。
相对论动能 K = (γ 1)mc²,其中 γ = 1 / √(1 v²/c²)。当 v 接近 c 时,γ 变得非常大。
即使使用简单的非相对论动能公式 (1/2)mv²,其能量也已经是一个天文数字。
K ≈ (1/2) (4000 kg) (3 x 10⁸ m/s)² ≈ 1.8 x 10²³ 焦耳。
这大约相当于广岛原子弹能量的 10⁹ 倍(也就是十亿倍)!而这仅仅是假设了 4 吨的质量。如果质量更大,能量更是难以估量。
穿透和蒸发: 这股能量会瞬间将撞击点及其周围数百公里甚至数千公里的一切物质(地壳、地幔、甚至一部分地核)汽化、等离子化并抛射出去。地球会像被一把巨型激光笔划过一样,瞬间蒸发掉一部分物质。
冲击波和热辐射: 撞击会产生极其强大的冲击波,以超音速席卷全球,摧毁一切结构。同时,瞬间爆发的超高温热辐射会瞬间点燃任何可燃物,并使地表温度急剧升高。

3. 地球结构的彻底改变:

毁灭性的陨石坑: 撞击会制造一个前所未有的巨大陨石坑,其直径可能达到数百公里甚至数千公里,深度可能穿透地壳,触及地幔。
全球性的大气层扰乱: 被抛射到太空的大量物质会在地球轨道周围形成一个物质盘,并重新落回地球,造成全球性的“火雨”。撞击产生的尘埃和烟雾将笼罩整个地球,阻挡阳光长达数年甚至数十年,导致“核冬天”效应,全球气温骤降,生态系统彻底崩溃。
地质灾难的连锁反应: 全球范围内的超级地震和火山爆发将接连不断。地球板块会被撕裂,熔岩会喷涌而出,覆盖地表。
磁场失效: 地球的磁场是由地核的流动产生的。如此巨大的能量冲击可能会严重扰乱甚至摧毁地球的磁场,失去磁场的保护,地球将直接暴露在太阳风和宇宙射线下,生命将无法生存。

4. 对生命的影响:

生物圈的瞬间终结: 任何生物,无论是在陆地、海洋还是空中,在撞击点的直接影响区域都将瞬间化为乌有。
连锁灭绝事件: 即使是远离撞击点的地方,也会受到冲击波、热辐射、地震、火山爆发、气候巨变等一系列次生灾害的影响。地球上绝大多数甚至全部生命形式都将在此过程中灭绝。幸存下来的生物,如果数量极其稀少,也将在极度恶劣的环境下挣扎求生,很可能无法维系种群繁衍。

总结来说,一粒尘埃大小的中子星物质冲向地球,其后果将是:

局部区域的彻底毁灭: 撞击点及其周边方圆数千公里的一切物质将被瞬间蒸发、抛射。
全球性的大规模灾难: 冲击波、地震、火山、辐射、气候变化将席卷全球。
地球的毁灭性重塑: 地球的物理结构、大气层、海洋、磁场都将发生不可逆转的剧变。
生命的全面灭绝: 地球上的所有生命形式都将因此事件而终结。

这是一种比任何已知的大规模杀伤性武器都要强大无数倍的灾难,它会瞬间将地球变成一个死寂、被撕裂、熔化的星球。所幸的是,在宇宙尺度上,这样的事件发生的概率极低,而且我们离最近的中子星也极其遥远,能够威胁到地球的概率几乎为零。

网友意见

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原高票宫非同学的回答已经全部删改,导致其他几位知友的回答遭到指责,似乎有必要澄清几句。

宫非同学最初的答案从图片到文字都搬运自如果吃一小勺中子星会怎么样?中的高赞回答,并且没有任何转载声明。

知友 @Mandelbrot 原回答是过万赞的优质回答,并得到知乎日报和专题的收录。宫非搬运过来后,轻松地受获得500个赞,成为高赞回答。

由于Mandelbrot知友回答的是“一小勺”中子星的问题,而宫非同学照搬“一立方厘米”过来,文不对题,引起了很多知友的不满,指出文章生硬照搬和抄袭嫌疑,并在评论区引起争议。宫非同学辩解称自己的回答和Mandelbrot的回答并没有太大关系,然而这个解释显然无法和“一立方厘米”自圆其说。B卷的大题写出了A卷的答案,说是自己想的似乎不太有说服力吧。

1月27日,宫非的回答被折叠以及建议修改。这里冒昧据此猜测一下,宫非同学并没有得到原答主的转载授权。

同日,该回答通篇重新纂写,更改为“一立方微米”,并在最前面加上了误导性日期:2019-01-24。而其他几位知友都是在1月25日提出质疑,这导致很多知友误以为 @罗成 @皇帝的财宝 @一棵芦苇 等几位的质疑成了无中生有恶意抬杠。同时评论区关于此事的全部争议被删除,只留下一些称赞题主的评论。

遗憾的是,没有人想到还有如此专业和周密的操作。所以此事已无从查证,只有搜索引擎可以看到一点点影子,也已经很难作为实锤证据。

无意指控或指责谁,也不敢妄称我见到的就是全部事实经过,谨公开一些个人所见的事情经过,供大家参考。

=================以下是原回答==================

0、反对为了得到更简单刺激的结论而更改问题(划掉,原高赞回答已被折叠和建议修改)。

1、尘埃,一般指粒径10微米以下的固体颗粒,因为这个尺度的尘埃在无风的条件下沉降速度较慢,可以长时间浮空,更大的颗粒能不能上天那就全看风给不给力了。

2、“中子星物质”其实是一个很模糊的概念,首先中子星的模型目前比较认可的就有不下十来种,其次中子星分若干个壳层,外层有等离子态,再往里有电子简并态、核子简并态,不同温度下还可能有质子超导态,中子超流态,超子简并态……核心八成还有各种夸克简并态的什么奇葩玩意,实在麻烦得很。

3、天体碰撞事件中,速度是一个重要的参量。哪怕极小质量的亚光速颗粒理论上也可以拥有极大的动能——当然这不是我们想讨论的,所以这粒“尘埃”的速度应远小于光速。

4、假设一颗粒径为10微米的核子简并态物质从撞向地球,质量大约在100千克-1吨左右。

5、在纳秒时间尺度内,这粒“尘埃”会迅速膨胀,中子流以最高可达0.5c的速度向四面八方扩散。

6、由3和5可知,这其实可以看成一起微型天体爆发事件,而不是一起撞击事件。决定“会发生什么”的关键在于,初始状态,这粒“尘埃”距离我们有多远

7、这场“爆发”的能量大约相当于十几颗到数十颗“大伊万”级氢弹的爆炸,同时产生具有强烈杀伤能力的的快中子流。

8、如果发生在月球的距离以内,这场中子射线爆会让地球上的人会承受超过上千毫西弗的中子辐射。半个地球的照射范围内,造成大量死亡,活下来的人也会承受严重的辐射病。而另半个地球的人则陷入持续懵逼。

9、中子潮过去得很快,一分钟过后,到达地球的就只剩杀伤性和穿透性相对下降的慢中子了。一个小时过后,半衰期只有十几分钟的中子衰变剩下不到一成。所以,另外半个地球的生物几乎毫发无伤。

10、咩霸点了个赞。

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2019-01-24

一立方微米的中子星物质会有多少质量呢?根据中子星的密度为 至 之间,换算它的质量大约在 0.08kg 2kg 之间,而之所以有这么大的差别,是因为不同的中子星在密度上是有差别的。

事实上,中子星物质只有在中子星上才会呈现那样的形态,由于中子星自身强大的引力,上面的物质是很难脱离的。然而,中子星上的物质也可能会离开中子星,那是因为宇宙中有时会发生中子星互撞的事情,在它们碰撞的时候,是有可能会有大量的中子星物质被抛到宇宙中的。在中子星相撞的一刻,会有短暂的伽马射线暴爆发出来,但是其能量完全不下于超新星爆发产生的伽马射线暴的能量,而且这一时刻还会有大量的物质以极快的速度飞溅出去,这些物质之后脱离中子简并态,以普通物质的形式飞奔在宇宙之间。其中,绝大部分物质将会发生进一步塌缩,形成黑洞,而另外一部分物质会被抛入太空

即使可能有漏网之鱼,一旦物质离开中子星,就已经不能算是原先中子星上面的物质状态了,这是因为失去了中子星上面的压力环境,这些物质就会失去引力,所以说,中子星物质是不可能以中子星上面的状态拿到地球上来的。我们就假设这一立方微米的中子星物质为一公斤,而中子星物质离开中子星会怎么样呢?当一块中子星碎片离开了中子星表面,它会迅速膨胀,变成一堆氢气团。因为独立的中子会衰变成质子、电子、中微子。只不过因为中子星表面特殊的环境,压力大,所以不衰变罢了,如果变成了碎片,内部压力不够,碎片直接就爆炸了。爆炸的时间估计不超过 15 分钟(注),不过,最近的中子星 RXJ1856-3754 距离我们 400 光年,当中子星物质冲向地球时,早就烟消云散了,按理说对地球沒有任何影响。


不过,近几年科学界对于中子星物质又有另一种说法出来。长久以来,科学家们都无法确定宇宙中的金、铂、铀等重元素从何而来。因为宇宙早期只有氢、氦等氢元素,在恒星随后的演化过程中,随着核聚变反应,质子数更高的重元素得以生成。然而,宇宙中天然的核聚变,最重只能产生到铁元素,这是因为铁元素的核子结合能已经到达高峰,要把其中的质子和中子拆开,需要极高的能量,目前恒星内部的能量显然并无法满足。科学家们一度认为,恒星寿命末期的超新星爆炸,才足够提供这种能量。然而,这个假设逐渐被后续的发现击破,宇宙需要一个更大、更热的炼金炉。在过去几年间,天文物理学家们开始形成主流认识:「中子星并合」是最有说服力的机制

科学家也推论,中子星的一次碰撞,足以形成有 300 个地球那么重的黄金。这些尘埃或碎片被撒入广袤无垠的宇宙,其中一部分可能在 46 亿年前与地球凝为一体,又被后人开采来成为手中的金饰。谁知道呢?这还需要更多的证据来说清楚!不过,说句老实话,我小时候就是个科幻小说迷,我还是比较倾向相信金子是外星人带过来的礼物,只是我没法给大家满意的答案,早知道就应该转行去学天文物理的!


注:

为什么是 15 分钟?这是因为在中子星内部,其强大引力还维持着这样一种中子和质子数量的平衡。但在地球的环境中,没有处于原子核里的中子,或者说所谓「自由中子」是不稳定的,它会衰变成质子和电子,一般会形成一个氢原子,其平均寿命为 (881.5±1.5)sec(大概 14 分钟 42 秒)。

至于宇宙早期只有氢、氦等氢元素这个说法,是否违反大爆炸理论?我的看法是~一门学科或一个理论是否能成立,首先,要看它在逻辑上能否自洽 (通俗的讲法是起码要能自圆其说),其次,要看它是否有了实验证明 (或能通过实践检验),大爆炸宇宙学在这两方面都存在问题。建议大家找下“震荡宇宙理论”来比较看看,反正多听些不同声音也没有坏处啦。


2019-02-19

读者问到其它写手的指控,为了捍卫自己的名誉,我决定站出来说明原委。这件事说来话长,他们不过是看过一些点状的内容,就当起了侦探。附上我跟知乎的交涉过程,就让它尽早落幕吧!不过,最让我寒心的是,知乎有些自认为是知识分子的人,不去求证就人云亦云,这可不是好现象。

各位可以去他们提供的连结,看内容是否是在回答这个问题,如果不是,我干么抄袭里面的内容。

我一开始是通过下面网络文章找到了计算中子、质子的数字,自行更正了数据后发表,结果是知乎告诉我与前一连结內容雷同,我才知道这件乌龙。发表内容的前 3/4 是我自己的想法,后面的计算就参考了第二个连结的数据去核实,算出来的答案也跟第一个连结有点差异。结果就是这些跟着别人起舞的人 (不自己好好回答问题,却只会喷人) 去举报,那我乾脆整个改掉不行吗?这样他们还是有话说,真是服了他们了。

光这两个连结内容就有很大的差異了,怎么不说我抄袭第二份连结呢?更何况原先那个版本前面都是在谈天文地理观念,难道这连这些知识分子都看不出来?更可笑的是还有人不是说我写的不会超过百赞吗?1/26 日被折叠前是 421 个 (1/26 日被折叠没增加点赞数),后面又增加了快 600 个,这不是打脸了吗?何苦呢?拿了那么多赞,老板也不会给你加薪!这也跟我在知乎写内容是分享的初心相违背,所以就不去跟这群人一般见识了!


       分类科普 >>物理 >>天文     

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