中子星 – 余海峯 David

此文章為我的泛科專欄《動漫物理學》文章，原文於 2018 年 5 月 8 日刊於泛科學。 ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— ———————劇透封鎖線——————— 如果你已看過《復仇者聯盟3：無限之戰》，想必已經知道⋯⋯ ——————最終劇透封鎖線—————— 好了，如果你還未看過，請馬上點擊「上一頁」。電影中，身為奧丁之子的雷神索爾為了打敗薩諾斯（Thanos，也譯為滅霸、魁隆）為眾人復仇，與銀河守護隊的火箭浣熊和格魯特來到尼德威阿爾（Niðavellir）找矮人鐵匠幫忙鑄造新的雷神之鎚「風暴毀滅者（Stormbreaker）」。根據威漫官方資料，舊的雷神之鎚「妙爾妮爾（Mjölnir）」是由「Uru金屬」鑄造的。天體物理學家尼爾．德格拉斯．泰森（Neil deGrasse Tyson）猜測Uru金屬可能是中子星的核心物質，即超導超流簡併態，不過後來一位北歐神話教授指出這是錯誤的猜測。（順帶一提有趣的是，泰森曾在DC超人電影中飾演他自己XD）延伸閱讀：人人都不能拿起雷神之鎚，因為它是來自中子星的超導材料！？然而，尼德威阿爾上的矮人幫忙薩諾斯鑄造無限手套之後，就被全部殺害，剩下的一人也被奪去雙手，只能以金屬義肢代替，失去了鑄造武器的能力。這個工廠以一顆「垂死的恆星」作為能量來源，可是工廠已停止運作，而失去雙手的矮人亦無法修理。索爾必須修好工廠，並協助矮人鑄造出風暴毀滅者。雖然這些劇情好像很公式化，但也正好令我們能試試估計一下察索爾的力量到底（至少）有多強！官方並沒有解釋「垂死的恆星」到底是指什麼，不過從覆蓋著恆星的工廠大小，我們可以假設這是一顆中子星。中子星是恆星演化的其中一個終點。高質量恆星的核心形成鐵元素時，會失去抵抗重力的氣體和輻射壓力，恆星外殻就會坍縮，與密度極高的核心碰撞反彈，在幾秒鐘內釋放出比整個銀河系所有恆星更多的輻射。這個過程就是超新星爆發。超新星爆發後，恆星大部分質量都會被拋到宇宙深處，成為孕育下一代恆星、行星，甚至生命的星塵。剩下來的核心有可能變成中子星，直徑通常只有約20公里，大概一個紐約市的大小，可是質量卻相當於一兩個太陽。由於中子星密度極高，它的表面溫度也非常高，大約為60萬度。密度高也就代表重力強。從電影中估計，索爾打開覆蓋中子星的閘門時，離開中子星的距離頂多只有幾百米。假設該中子星與我們的太陽一樣重，並且半徑為10公里，那麼在其表面100米高的距離，重力就是地球表面的1千3百億倍！能夠在1千億倍的重力下徒手打開能抵受中子星重力的巨大閘門，索爾的力量已經不是任何生物能夠比較的吧！「最強復仇者」明顯是索爾啊，東尼．史塔克！我們知道一個物體所輻射出的光譜與其表面溫度有關，這就是馬克斯．普朗克（Max Planck）在1900年發現的黑體輻射定律（Blackbody Radiation Law）。例如我們都知道在煮食時，溫度較高的火的顏色偏藍，較低溫的火則偏紅，因為黑體輻射光譜的峰值會隨溫度移向偏藍、較高能量的光。又例如我們的太陽表面溫度約為6千度，其黑體輻射光譜峰值位於綠色可見光。一個小小的測驗題：既然太陽光譜峰值在綠色，為什麼我們見到的太陽是橙紅色的？表面溫度為60萬度的中子星，其黑體輻射光譜峰值已遠遠超出可見光範圍，位於X射線的波段之內。因此，中子星釋放的能量，絕大部分是X射線。X射線能量非常高，是比紫外線更致癌的輻射。索爾是有帶特製的防曬油的吧？利用斯特凡—波茲曼定律（Stefan-Boltzmann Law），我們可以計算出不同表面溫度的恆星釋放出的輻射功率。而根據計算，中子星表面的黑體輻射功率為每平方米7千萬億億億瓦！與之比較，地球每平方米接受太陽照射的功率只有，呃，1千多瓦…… 除了黑體輻射，其實中子星還有以其他方法產生的輻射，例如由極強磁場產生的同步輻射等，在此暫且不提。就算不計其極強的重力，索爾能夠抵受7萬億億億倍的太陽光輻射而不被烤成一堆基本粒子，根本就已經是逆天強橫好不好！而且實際上，根據廣義相對論，中子星附近的時空會被扭曲至極端狀態，反方向輻射也會照到索爾身上，因此實際數字會比以上計算更多！物理證明，最強復仇者雷神索爾，實至名歸！

此文章為我的泛科專欄《動漫物理學》文章，原文於 2018 年 1 月 2 日刊於泛科學。根據北歐神話，雷神索爾（Thor）擁有一把名叫妙爾尼爾（Mjölnir，也稱雷神之鎚）的鎚子。在美國 Marvel 漫畫和電影之中，地球上只有索爾能夠拿起妙爾尼爾（不過後來各式各樣的人，像是幻視和美國隊長都可以拿起來或是讓他動一下。），並且能夠放出強勁的閃電攻擊。古代神話當然沒有給予任何科學解釋。根據 Neil degrasse Tyson 的猜測，妙爾尼爾可能是以中子星的物質製成的。中子星究竟是什麼？為何能夠賦與妙爾尼爾這麼神奇的力量？編按：根據Marvel Comics的設定，妙爾尼爾是用「uru金屬」所製成、它是由鐵匠Etri用一顆垂死之星的中央所鍛造而成的。因此 Neil Tyson推測妙爾尼爾如果是用中子星物質所製成，它的重量的確重到「凡人」無法拿起啊。那麼，神秘的中子星是怎麼誕生的呢？創造妙爾尼爾的起源，是個關於恆星誕生和死亡的故事。很久很久以前，在非常廣大的宇宙空間裡面，有一片非常巨大的星際塵埃雲。這片星雲裡的物質來自宇宙大爆炸之後產生的原子，其中絕大部份都是氫。星雲內某個區域氫原子比較密集，而這個區域的重力比較強；隨時間過去，區域附近的氫原子慢慢地互相越靠越近，逐漸形成一顆原恆星。最後，附近以光年計的氫原子都落入這個原恆星之中。原恆星越來越巨大、溫度與密度越來越高，直到有一刻，氫原子核因為互相太過靠近而熔合在一起成為氦原子核。核熔合會放出強烈的能量，恆星就這樣誕生了。這顆恆星的質量是太陽的幾倍至幾十倍，經過幾千萬到幾億年，這顆巨大的恆星裡面的氦又會結合成碳、氧、矽等等比較重的原子。直到開始熔合成鐵之時，由於鐵不會再熔合，恆星逐漸失去核熔合放出的能量所造成的壓力。沒有壓力抵抗重力，恆星就會變得不穩定。最後，它的核熔合燃料會消耗坮盡，完全失去來自內部的壓力，開始向內坍縮。當恆星外殼坍縮到撞上核心時，物質會被反彈開去。這次反彈非同小可，極大量物質以非常接近光速被拋向外太空。這就是威力大得足以使整個星系百億顆恆星的光統統比下去的爆炸——超新星爆發。超新星是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸，而在這段藝術家製作的縮時影片中集合了許多遙遠的星系，偶爾可以看見超新星，而且每顆爆炸的恆星，其亮度都短暫的超越了其所在星系的亮度。很多物質會被超新星爆發拋向外太空，在這過程中又會結合成更多比鐵更重的元素。被超新星爆發拋出的原子，就會成為下一代恆星和行星的原材料。構成我們的太陽系的物質都是來自於這樣的超新星殘骸。太陽系中所有行星、地球上所有物質、生物，都來自超新星爆發；所以，我們都是名符其實的宇宙星塵（超浪漫的啊）。但妙爾尼爾也會讓地球變成中子星？！恆星核心未必會被超新星爆發炸得完全粉碎。如果剩下的物質太多，沒有任何力量能夠抗衡重力坍縮，它就會變成黑洞，是通向時空終點的不歸路。然而，如果殘留下來的核心質量介乎約0.6至2倍大陽質量的話，原子核裡的質子就會和電子合併成為中子，中子與中子之間產生的壓力足夠抵抗重力坍縮。一顆中子星就此誕生了。中子星非常細小，尺寸大約等於一個紐約市。想像把整個太陽塞進這麼細小的空間裡，就能夠大致想像中子星的密度有多高。在地球上，每茶匙物質只有幾克重；而在密度極高的中子星上，每茶匙物質卻可重達幾億公噸。如果妙爾尼爾是由中子星物質所造成的話，地球上的人類沒有一個能拿得起，也是合情合理的。然而，妙爾尼爾明顯被輸入了超越現代科學所能理解的法術，否則妙爾尼爾應該會直接衝破地殼，沉到地球核心，更遑論索爾能把妙爾尼爾掛在牆上、放在桌上了。這樣的話，地球上的一切物質亦會跟著坍縮落到由妙爾尼爾之上，變成一顆中子星。妙爾尼爾其實是科學家夢寐以求的室溫超導體？！普通物質在導電的時候，電子會在原子之間流動，過程中會因為有電阻而流失能量，如果沒有持續輸入能源，電流就會停止。上世紀以來，科學家陸續發現了很多物質在極低溫度下，其電阻值會變成零，稱之為超導體。超導體裡的電流能夠在不消耗能量的情況下流動，如果能夠找到在室溫中也能保持超導特性的物質，將是科學家和工程師夢寐以求的材料啊。在中子星裡的中子，由於彼此非常靠近，就會出現一些量子力學效應。其中一個神奇的特性，就是中子會變成所謂的超流體，能夠自由地在中子星裡流動。中子星之中亦存在著一些未有變成中子的原子核，由於原子核裡的質子帶有電荷，中子星裡的物質其實是處於超流、超導狀態！以中子星物質製成的妙爾尼爾，應該也有著超導特性吧。這也就能解釋為什麼索爾能夠使用妙爾尼爾放出強大的閃電，在電影《復仇者聯盟》中索爾曾用這一招消滅了不少來自外太空的侵略兵團。看來，雷神索爾的落雷攻擊比基路亞和比卡超的更強啊，不愧為北歐神話的戰神！不過，這麼厲害的武器，索爾應該不會把它交給科學家研究吧。很可惜妙爾尼爾已經在《雷神索爾：諸神黃昏》之中被破壞了，不論是科學家和索爾都要好好繼續努力啊！