恆星死法有四種,屍骸卻一個比一個厲害,頂級老大是哪…


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恆星死法有四種,屍骸卻一個比一個厲害,頂級老大是哪個?

很多人知道,恆星死後會留下白矮星、中子星等屍骸,而且這些屍骸一個比一個厲害。但既然是屍骸,為啥還有那麼大能量,還能夠發光發熱,甚至比恆星原來溫度還高呢?今天我們就一起來探討這個話題。

  • 先簡單說下恆星是什麼

恆星是宇宙中最多的天體,其總質量佔有可見物質的99.9%以上。我們仰望星空,看到星星99.99%都是恆星。恆星是自己發光發熱的天體,是行星的母星。

所有的行星都是恆星形成過程剩下的渣滓組成,如我們太陽系,只有太陽一顆恆星,其質量就佔有了整個太陽系的99.86%,八大行星和所有大大小小天體加起來,才佔據了整個太陽系質量的0.14%。行星自身不發光,主要靠吸收恆星輻射提升溫度。

恆星有大有小,像太陽這樣的恆星屬於中小質量恆星,最小的恆星質量只有太陽的8%,而最大的恆星質量有太陽的200倍。

再小再大的恆星一般很難存在,這是因為天體質量沒有達到太陽的8%,核心就很難獲得啟動核聚變的溫度和壓力,就無法發光發熱;而大於太陽質量200倍的恆星,劇烈核聚變的輻射壓與巨大質量的引力壓很難保持平衡,由此恆星極不穩定,會不斷向太空拋撒外圍物質。

  • 恆星的壽命和歸宿

恆星壽命是以質量來確定的,質量越小,壽命越長;質量越大壽命越短。這是因為恆星質量越大,核心壓力和溫度越高,核反應就越激烈,燃燒得就越快,反之就越慢。最大質量恆星壽命只有幾百萬年,而最小質量恆星壽命超過萬億年。

恆星也有生有死,質量不同的恆星,死法也不同。恆星的死法大致有四種,死去的恆星殘骸(也可叫屍骸)也有4種,即黑矮星、白矮星、中子星、黑洞。

這幾種屍骸一個比一個厲害,黑洞是頂級老大,是恆星死後最厲害的厲鬼,對宇宙中的一切通吃,就連這些屍骸也不會放過。

不過黑洞的無限引力範圍是與質量成正比的,只要不去惹它,不進入其極端引力範圍,還是比較安全的。

  • 黑矮星是很多恆星的最終歸宿。

宇宙中最多的恆星叫紅矮星,這種恆星質量小,溫度和亮度相對較低。紅矮星質量一般在太陽的8%~50%之間,如果沒到太陽質量的8%,天體核心達不到啟動核聚變的溫度和壓力,就只能成為褐矮星或行星;質量再大的恆星,就類似太陽了。

這種小質量恆星由於中心壓力和溫度相對較低,核反應比較溫和,消耗燃料相對較小,因此一生不會發生什麼劇烈變化,只是將核心燃料慢慢消耗完就熄滅了,熄滅後的屍骸就叫黑矮星。

根據紅矮星質量大小,壽命可達千億年乃至數万億年,而宇宙至今才誕生138億年,因此迄今為止,所有的紅矮星還正值青壯年呢,沒有一個紅矮星變成了黑矮星。

白矮星和中子星是大中型恆星的屍骸,形成後已經沒有了新的能量產生,就會慢慢冷卻,最終能量消耗殆盡,也會變成一個黑矮星。這個過程約需100~200億年。

由此,在宇宙中還沒有發現黑矮星。

  • 白矮星是中等質量恆星的屍骸。

一般認為,太陽0.8倍以上,8倍以下的恆星,包括太陽,其在生命後期會發生紅巨星膨脹,最後硝煙散盡,外圍物質全部飄散到了太空,剩下中心一個緻密的核,這個核就是白矮星。現在在宇宙發現了很多白矮星,距離我們8.6光年的天狼星,就是由一顆藍矮星和一顆白矮星組成,藍矮星質量是太陽2倍多,白矮星和太陽質量差不多,但其個頭只有地球大小。

因此白矮星是一種高密度天體,密度可達到1~10噸/cm^3,白矮星表面溫度剛形成時在10000℃左右,會發光,但光度較小,只有太陽光度的約千分之一到萬分之一,加上體積很小,因此稍遠就看不到。

恆星比白矮星體積和亮度都大許多,但現代最好的天文望遠鏡也很難看到其圓面,只能看到一個亮點。白矮星比恆星小,亮度又弱,因此就更難觀測到了。尤其是在雙星系統,主星的光芒會遮蓋住白矮星暗弱之光,就更難看到了。

因此對白矮星的觀測,一般是通過光譜分析得到的,或者用星冕儀等特殊設備,將主星光芒遮擋住,才能勉強看到一些距離較近的白矮星亮點,如天狼星B。

因為宇宙中中小質量恆星很多,死後的遺骸就是白矮星,現在宇宙壽命已經有138億年了,應該有很多白矮星,有人估計,白矮星的數量佔恆星總數的3~10%之間。現在發現的白矮星已經有1000餘顆,1982年出版的白矮星星表,就列舉了距離太陽不遠,銀河系中的488顆白矮星。

  • 白矮星既然是屍骸,為什麼還有光和熱?

白矮星核心的核聚變早已熄滅,已經不產生能量,但為什麼還會發光發熱呢?這是因為白矮星本身就是原恆星的星核,星核本來就比原恆星表面溫度高很多,比如太陽表面溫度約6000度,核心溫度為1500萬度。而且在後續不斷升級的氦核聚變過程,核心溫度還會上升到數億度,這樣,當外圍物質硝煙散盡,留下中心的碳核時,只是繼承了原恆星的溫度。

白矮星剛形成時,表面溫度比原恆星更高,達到上萬度,核心溫度保持在上千萬度。這些溫度會源源不斷地輻射出來,於是就還有光和熱輻射。但由於不再有能量產生,白矮星會慢慢冷卻,但這個冷卻時間很長。冷卻後的白矮星殘骸也叫黑矮星。

白矮星質量一般在太陽的0.2~1.44倍以內,根據不同質量的白矮星,其冷卻年限不同,一般需要100~200億年。當白矮星完全冷卻後,其高密度碳就形成結晶,成為一個巨大的鑽石星球。但此“鑽石”可不是地球鑽石,密度達到10噸/cm^3,一個“鑽石”戒指會像一個鐐銬把你牢牢固定在某個位置。

  • 中子星是大質量恆星的屍骸

中子星是質量為太陽8倍以上到30倍以下恆星的殘骸。太陽質量8倍以上的恆星,核心溫度和壓力會導致從氫到鐵以下的一系列核聚變發生,最終在核心形成一個鐵球,核聚變熄滅後,恆星外殼的引力坍縮以亞光速撞擊鐵核,形成幾乎相同速度的反彈激波,兩股力量的碰撞,導致熱核失控,就會以超新星爆發的方式結束自己的壽命。

如果核心殘留質量超過了太陽的1.44倍,超新星大爆炸後就會留下一顆中子星屍骸。

中子星是非常極端的天體,質量達到太陽的1.44~3倍,而半徑只有10千米左右,因此密度可達1~10億噸/cm^3,表面重力是地球的上萬億倍,表面壓強達到恐怖的10^28倍地球大氣壓,逃逸速度達到1萬~15萬千米/s,磁場強度可達1~20萬億Gs(而地球才0.7Gs,太陽才1000~4000Gs)。

中子星剛誕生時表面溫度可達百萬度,核心溫度可達萬億度。由此,中子星會不斷向太空發出強烈的能量輻射,強度達到太陽的100萬倍。中子星繼承了原恆星的角動量,體積縮得很小,因此旋轉非常快,有的每秒數千轉。

中子星極強的磁場會從磁極不斷發射強射電波束,而中子星的磁極和自轉軸不重疊,因此其旋轉起來射電波束就像燈塔一樣的在太空中掃描,有的掃過地球,這些極有規律的脈衝信號就被人類安裝的射電望遠鏡所捕捉,這顆中子星就被稱為脈衝星。

迄今為止,人類發現的中子星和脈衝星已經有數千顆,“中國天眼”(安裝在貴州的500米口徑球面射電望遠鏡,簡稱FAST),正式運行才1年多,就已經捕捉到了數百顆脈衝星。

中子星的能量也是原恆星能量的殘留,慢慢冷卻後也會變成一顆黑矮星。

  • 黑洞是超大質量恆星的屍骸

黑洞是超大質量恆星死亡後留下的殘骸,原恆星質量至少需要太陽的30倍以上(有的認為需要40倍以上)。這類恆星由於中心壓力和溫度極高,最終和形成中子星的原恆星一樣發生熱核失控,以超新星大爆發結束自己的一生。

由於這種超大質量恆星的引力坍縮壓力和溫度更高,核心質量留下的也更大,就會坍縮成一個黑洞,這個黑洞質量在太陽的3倍以上。

黑洞可以說是恆星的頂級屍骸,是通吃一切的厲鬼。進入黑洞的所有物質都坍縮到核心那個無限小的奇點上,這個奇點會在周圍形成一個無限曲率的球形空間,這個空間的大小與黑洞質量成正比,叫黑洞視界或史瓦西半徑。

史瓦西半徑的計算方法為R=2GM/C^2,根據這個公式,一個質量為太陽3倍的黑洞,其史瓦西半徑約9000米。在這個半徑9000米的球狀空間,任何天體靠近,不管這個天體的質量有多大,都只能被黑洞所吃掉,最後一點骨渣子也不剩。

  • 黑洞很貪婪,永遠吃不飽。

黑洞吃掉一切天體和物質後,質量就會越來越大,史瓦西半徑也與質量成正比的擴大。人類已經發現宇宙最大的黑洞叫SDSS J073739.96+384413.2,其質量達到太陽的1040億倍,史瓦西半徑達到3120億千米。這個黑洞還在不斷地吞噬著恆星物質,繼續壯大自己。

黑洞對所有的能量都吞到自己那個奇點上,就像貔貅只吃不拉,進入視界後,連光也無法逃逸,因此黑洞本來是無法看到的。

但由於黑洞存在著質量、電荷、角動量,一旦有星際物質靠近了視界,就會被黑洞捕捉,往中心拉扯,而靠近的物質由於黑洞角動量的帶動,轉速非常快,可達一半光速甚至接近光速,因此就會碰撞激發出巨大能量,發出耀眼的可見光和能量射線。

強大的能量噴流,還會從黑洞自轉軸兩端以接近光速發射到太空,在X波段產生熾熱光芒。黑洞視界就是可見和不可見的分界線,所有物質在黑洞視界外都是可見的,一旦進入了視界,就化為烏有,只能看到一個黑咕隆咚的無底洞。

這樣,人們就可以通過光學和射電、射線望遠鏡觀測到黑洞,並能夠計算出它的質量。

  • 恆星屍骸還會藉屍還魂,升級為黑洞。

由於白矮星和中子星都是極端天體,靠近它們的恆星等天體,都要自認倒霉,會被它捕捉和拉扯撕碎漸漸吃掉。白矮星和中子星通過吸積這些天體物質,就會不斷壯大自己,當它們的質量到達某個臨界點時,就會發生蛻變,成為更高一層的屍骸。

這兩個臨界點一個叫錢德拉塞卡極限,一個叫奧本海默極限。

白矮星的臨界點是1.44倍太陽質量,叫錢德拉塞卡極限,當白矮星質量達到這個極限時,依靠電子簡併壓就再也無法支撐自身形態,這時會有兩種歸宿:一種是通過超新星大爆發,將自身炸得粉碎,成為一片星雲;還有一種就是繼續坍縮成為一顆中子星。

而中子星通過吸積,達到奧本海默極限時,中子簡併壓就無法支撐自身形態,就會繼續坍縮成為一顆夸克星或者黑洞。現在人們還沒有發現宇宙中有夸克星的存在,因此這還只是一種猜想。

奧本海默極限現在還沒有一個準確的數值,有研究認為不旋轉中子星的奧本海默極限是2.16個太陽質量,但不旋轉中子星幾乎沒有,因此一般認為奧本海默極限在3個太陽質量以上。而現在宇宙中發現最小的黑洞,也在太陽質量3倍以上。

  • 恆星質量與形成中子星和黑洞的誤區

有人認為,1.44倍以上太陽質量恆星會形成一個中子星,3倍以上太陽質量恆星會成為一顆黑洞,這種認知是錯誤的。這麼小的恆星是無法形成中子星和黑洞的,是否成為中子星或黑洞,要看大質量恆星在超新星大爆炸時,核心殘留的質量。

因此,前面說的多大質量恆星會形成中子星或黑洞也是相對的,至於30倍還是40倍太陽質量恆星,在超新星大爆發後是留下一個中子星還是黑洞,關鍵還是要看恆星演化末期,核心殘留質量有多大,達到錢德拉塞卡極限,就會成為中子星,達到奧本海默極限就會成為黑洞。

  • 屍骸還會打架,爆發出巨大能量

在整個宇宙演化事件中,白矮星、中子星、黑洞之間,會發生黑吃黑的情況,還會發生自己相互碰撞的事件,尤其是中子星或黑洞在相互打架碰撞中,會激發出宇宙頂級天體事件,這就是發出伽馬射線暴。

伽馬射線暴是宇宙頂級能量爆發,其幾秒鐘或幾分鐘爆發出來的能量,甚至超過一個星系輻射能量總和,如果被這種能量擊中,將會萬劫不復,因此科學界認為,伽瑪暴是宇宙最恐怖的頂級殺手。

有科學家認為,伽馬射線暴殺滅了宇宙中90%以上的生命和文明,是宇宙文明難以發展到高級狀態的重要原因之一。這或許也是人類迄今都無法發現地外文明的一個原因吧。

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