大質量巨型恆星的命運

2021-01-10 萬象經驗

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在浩瀚的宇宙深處,恆星誕生在原始星雲中,這些氣體分子雲位於星系的旋臂上。強烈的引力壓縮雲團,導致溫度和壓力急劇增加。在星雲內的臨界溫度和壓力下,奇蹟出現了。熱核反應劇烈地爆發,將氫聚變為氦。在這個氣體中,一顆原恆星誕生了,就像宇宙裡有新生命一樣,但它也會死亡。

在核反應的推動下,這顆恆星以孤獨的方式生活,在數百萬年的時間裡,它將自己的光發射到黑暗的太空中。對於那些小於1.4個太陽質量的恆星來說,它們會平靜地死去,成為白矮星。那裡的核燃料耗盡了,它們的核心通過電子簡併壓力來平衡引力產生的壓力。數十億年後,白矮星的熱能將會耗盡,當它死亡時,會發出最後的光芒,成為一顆不發光的黑矮星。

大質量恆星

對於比1.4個太陽質量大得多的恆星來說,死亡是劇烈而混亂的。大質量恆星燃燒的溫度和亮度要比進入恆星墓地的小恆星高得多。在這些大質量恆星的核心,作用在10^-13釐米量級的微小距離上的核力會引起強烈的核聚變反應。恆星核心內這些元素的原子核彼此電排斥,為了克服這種排斥作用,需要極高的溫度,而這些高溫和極端的內部壓力提供了點燃核反應所需的能量。

這些大質量恆星是由一系列產生越來越重元素的核反應驅動的。當核燃料耗盡時,會產生較重的元素。每一次聚變循環都會釋放能量,平衡恆星因引力而受到的向內壓縮。然而,當某種核燃料被使用時,它會進入一種不再發生核聚變的狀態。最後一次聚變循環的殘餘物是鐵。然而,任何核反應都不能釋放鐵的能量,這標誌著這顆大質量恆星的末日。沒有核聚變反應的能量,恆星就無法產生的向外的力與向內的引力平衡了。

這顆大質量恆星的鐵核超過了錢德拉塞卡的極限,即1.4個太陽質量,這顆恆星無法像白矮星那樣達到平衡。在一次災難性的事件中,當恆星達到一個原子核的密度大約是水密度的一百萬倍時,它會受到重力的襲擊,恆星會顫抖,核心會坍塌。原子核被撕裂,留下濃密的顆粒湯。

這種崩塌釋放的能量相當於恆星整個生命周期輸出能量的10倍。密度越來越大,重力的向內壓縮越來越大,質子和電子融合在一起形成中子。在正常情況下,一個自由中子會通過一個中間矢量玻色子的交換衰變為一個質子,玻色子衰變為一個電子和一個反電子中微子。然而,重力的擠壓作用不允許這樣做。密度是如此之大,中子是如此的緊密,以至於泡利排斥原理不允許在中子衰變為質子的過程中產生任何電子。核心現在被1057個中子緊緊地包裹著。

超新星

當恆星由於引力而向內坍縮時,能量從核心反彈,並將恆星的外層吹向太空,造成大規模爆炸,這時就發生了核心坍縮超新星。超新星大約90%的能量被稱為中微子的亞原子粒子從恆星帶走。這些中微子是在質子與電子融合時形成的。在恆星的快速坍縮過程中,強烈的能量使原子核分裂成它的基本粒子組成部分。崩塌加速,導致質子與電子發生聚變,從而釋放出超新星爆炸時觀測到的中微子,這個過程被稱為核心的中和。這些中微子很少與物質相互作用,是極其輕的粒子。剩餘的能量在新形成的中子核中反彈並向外輻射。這另外10%的超新星能量引發了巨大的爆炸,將恆星的各個層炸飛。

1987年2月23日,超新星1987A在17萬光年之外的大麥哲倫星雲中被觀測到。這顆超新星的意義在於,它是第一次在超新星爆炸前後觀測到一顆恆星。這顆恆星的質量大約是太陽的20倍。科學家們的觀測結果與當時超新星理論的理論預測基本一致。據估計,在那一天,大約有100萬億來自超新星1987A的中微子穿過每個人的身體,甚至可能與你體內的一個核發生反應。

黑洞

這些恆星物體非常重,它們會經歷完全的引力坍縮。再多的內部聚變也抵擋不住如此重的物體所承受的重力壓力。如果中子星的質量小於太陽質量的3倍,它就能承受住重力。但是,如果它大於上限,它就會向內坍縮,變成奇點。奇點是無限密度的無因次點。恆星的所有質量都被向內擠壓,由這個無限大的奇點產生的引力變得如此強大,以至於在一個叫做視界的區域之外,連光都無法逃脫。恆星的總引力坍縮導致了黑洞的形成。

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