像太陽這樣的恆星在內部核聚變結束後,會變成什麼?

2021-01-09 優美生態環境保衛者

我們太陽系的核心是處於絕對主導地位的太陽,依靠著自身進行的核聚變,源源不斷地向外界釋放光和熱,為我們地球生命的誕生和生物世界的發展演化提供了不可或缺的物質和能量來源。太陽的演化歷史,是宇宙中絕大多數恆星共同具有的特徵,那就是在質量滿足一定範圍的條件下,所推動輕型物質向重型物質聚變的一個普遍過程,只是質量的差異造成了演化的最終結局不一樣而已。

太陽的演化歷史

如果將一個恒生的誕生和發展,與其所處的宇宙空間的狀態相隔離開來是不完整、也不科學的。其實恆星也和任何生命體一樣,其組成物質也是處在不斷地循環往復過程中。有形成,有發展,也有衰老和死亡,當然更有物質的重組和重組之後的重生。

據科學家們研究發現,太陽在還沒有形成之前的46億年以前,其現在所處的區域,應該是一個由相對「密集」的星際物質所組成的空間,在這裡分布著由氣體和星際塵埃共同構成的「濃密」星雲。而這個星雲的產生,有極大的可能,是之前該區域存在著已經死亡的巨大恆星,在生命的終期,這顆恆星向外界釋放完最後的一批能量和物質之後歸於沉寂,在漫長的宇宙時間演化中,恆星殘骸以及之前釋放出的物質,逐漸形成了這個星際物質比較「濃密」的星際空間。

受到其它恆星以及星體引力波動的影響,這些星雲物質在50億年前左右的時間,在引力牽引下發生著持續不斷地碰撞和聚合,逐漸形成了一個質量相對較大的核心區域,然後在萬有引力和動量守恆定律的支配之下,周圍的星際物質和氣體一部分繼續被吸入核心區域,核心質量不斷地增長,另外也在持續碰撞的過程中,逐漸積聚著能量和溫度,與此同時,稍遠一些的星際物質和氣體,在自身也進行碰撞和聚集的過程中,開始圍繞著這個核心進行運轉,慢慢地就形成了恆星的「胚胎」。

當核心區域溫度升高到700-1000萬度時(大約在46億年前),將會激發內部最輕元素-氫的核聚變反應,兩個氫原子,即四個質子和中子,通過鏈式反應,聚合形成氦原子核,同時釋放兩個正電子,在此過程中由於質量的虧損,會釋放大量的能量。通過計算,兩個氫原子聚變為一個氦原子,所釋放的能量為4.6*10^(-12)焦耳。

目前太陽正處於中年,內部的氫元素核聚變正處於鼎盛時期,每秒鐘所消耗的氫元素質量大約為7億噸,這個數值看上去非常龐大,但是由於太陽的總質量也非常巨大,因此,這種鼎盛的核聚變局面還可以持續至少10億年以上,之後就會緩慢進入紅巨星時代,觸發氦元素的核聚變。

決定恆星核聚變程度的因素

能夠影響恆星核聚變程度的因素,說白了就是由核心處的溫度決定的,不同的溫度區間,可以觸發不同的元素向下一級核聚變進發。

之所以溫度的提高,能夠激發產生核聚變,是因為在溫度逐漸提升的過程中,原子的結構就會發生動搖,當到達一定的臨界點之後,原子中的電子就會激發出來,使原子核成為「孤家寡人」,然後原子核在高溫下的運動速率也會加快,從而克服了原子與原子之間的庫倫力束縛,相同的原子核就會有較高的機率發生相互結合的情況,從而組成原子的質子和中子就會重新進行組合,形成原子量更高的元素。

而恆星內核溫度能夠達到多高、核聚變能夠持續到什麼程度,則又將取絕於恆星的質量。我們看到的恆星處於穩定的狀態,其實其內部無時無刻不在進行著兩種力的相互抗衡,一個是電子的簡併壓力,是隨著溫度的升高,使同類的原子相互結合過程中出現的自然排斥力,可以理解為原子本身不想聚變,有向外輻射力量的趨勢。另一個是恆星本身的重力,在萬有引力作用下,恆星外層的物質時刻都有被向核心處吸引的趨勢。這兩種力量的對抗,如果電子簡併壓力佔據了上峰,則恆星的下一步氦聚變就會中止,因為提供不了足夠的重力來使原子與另外的同類原子進行結合,新的元素也將不會再產生了。

恆星質量的大小對核聚變結局的影響

不同質量的恆星,其內部核聚變的程度是不一樣的。這裡主要分三種情況進行要簡要分析。

1、當恆星質量處於太陽質量的1.44倍以內時,這也是宇宙中大多數的恆星質量的範圍,在這個範圍之內,沒有突破錢德拉塞卡極限。如果恆星內部的氫元素消耗殆盡時,恆星將會在重力作用下進行塌縮,隨著塌縮的進行,核心處的溫度極劇升高,可以引發氦元素進行核聚變的溫度(2億度),形成氦閃現象,然後在向外輻射壓大幅增加的情況下推動整個恆星體積急劇膨脹,形成紅巨星。此後再經過塌縮、膨脹這樣的相類似的過程,隨之產生更重的元素C。之後,太陽般大小的恆星,其重力就再也無法滿足C的核聚變條件了,此後就會不斷地塌縮形成白矮星,此時核聚變完全中止,白矮星持續在進行著降溫冷卻的過程,再經過個幾百億年最終形成黑矮星。可以看出,太陽的最終結局是黑矮星,主要由C元素構成,並沒有金屬元素。

2、假如恆星的質量更大一些,處在3.2個太陽質量(奧本海默極限)以內,那麼,在巨大重力的影響下,其最終的結果是,組成恆星物質原子核外的電子都被壓進原子核的內部,與質子結合形成中子,形成中子星,其最終核聚變的產物是鐵元素,此時由於鐵元素的結合能最高,便無法從核聚變中獲得更多的能量,於是星體在末期就會失去向外的熱輻射壓力,星體外層物質就會在重力作用下快速向核心處塌縮,在此過程中大量形成的熱能就會以超新星爆發的形式展現出來。因此,中子星最終的結局也是黑矮星,只不過這個黑矮星裡含有金屬元素鐵。

3、當恆星的質量突破3.2個太陽質量時,在恆星末期劇烈的塌縮進程中,其重力佔據了絕對優勢,即使中子之間的相互排斥力也不足以抵擋向內的壓力,這個塌縮就會無限持續地進行下去,中子也被壓得粉碎,最終在核心處形成幾乎密度無限大、體積無限小的黑洞。

總結一下

恆星的發展演化周期,與其核心處的溫度變化有直接關係,而影響溫度變化的主要因素就是恆星的質量。因此,恆星質量的大小,決定著最終的演化歸宿。而我們的太陽,最終的演化路徑將是從目前的壯年,發展到紅巨星,之後塌縮形成白矮星,最終形成黑矮星,組成物質是由C元素。而只有當恆星質量突破3.2倍太陽時,其最終的殘骸之中才會有金屬元素Fe。

相關焦點

  • 當我們太陽的核聚變材料消耗殆盡後,會演化成什麼?
    太陽這樣的恆星,在氫元素燃燒殆盡後,會形成一個主要由碳、氧元素組成的「碳氧核」,成為一顆白矮星。恆星質量很大程度上決定了恆星的發展方向,可以說恆星演化就是一部化學元素轉化的歷史;恆星在剛形成前,主要元素都是氫元素和氦元素,恆星點燃前質量如果持續增加,內部溫度和壓力會逐漸升高,直到氫元素的核聚變被點燃,然後恆星進入主序星時期。
  • 恆星核聚變的最終產物是鐵,為何恆星卻不會變成一個大鐵球?
    在宇宙誕生之後,各類天體也都紛紛出現,恆星便是宇宙重要的組成部分之一。根據科學家們研究得知,恆星在誕生之後,主要成分大部分都是氫元素,此後,伴隨著恆星內部被點燃,開始進行核聚變反應,氫元素也伴隨著恆星內部的活動,進行一系列的化學反應。
  • 地球會發生核聚變,變成一顆恆星嗎?科學家:條件達不夠!
    提到核聚變,很多人一定會首先想到核武器,比如原子彈。但我要告訴你,原子彈的原理並不是核聚變,而是核裂變,氫彈的原理才是核聚變。大家應該知道,在我們太陽系中,有一顆恆星和八顆行星,恆星和行星的區別就在於自身能不能進行核聚變。
  • 太陽核聚變只要1500萬度,可控核聚變卻要1億度,這是什麼原因?
    稍懂科學常識的人都知道,太陽一直是依靠核聚變源源不斷的產生著巨大能量,我們才能夠得到它的光和熱。太陽中心溫度只有1500萬℃,就可以維持源源不斷的核聚變。可一些科學報導總說,現在正在試驗的可控核聚變溫度達到了1億℃,這又是為什麼呢?為什麼不可以像太陽那樣,用較低溫度實現可控核聚變,這樣不是容易很多嗎?
  • 氫、氦消耗殆盡後的太陽會變成什麼樣?恆星最終的歸宿
    太陽通過自己的氫聚變成氦,釋放出能量,根據愛因斯坦的質能方程E=mc,太陽通過這樣消耗自己質量的方式成為太陽系最耀眼的天體,可終有一天太陽的質量會消耗殆盡,這是一個怎樣的過程,隨著太陽質量消耗,太陽就沒有多餘的氫提供這個聚變反應了維持平衡,這時候太陽的核心沒有足夠的能量對抗引力的坍縮,於是核心收縮,隨之而來太陽內部壓力變大,體積變小,溫度升高,溫度升高又為太陽的進一步變化提供了環境
  • 恆星核聚變的終點是鐵元素,但是我們太陽的聚變過程到達不了鐵!
    鐵原子擁有最穩定的原子核,是核聚變與核裂變的「終點」,大質量恆星內部的核聚變到鐵就停止了,最後在恆星中心形成一個不穩定的鐵核,但是中小質量恆星由於溫度太低,聚變過程根本到達不了鐵元素。氦燃燒當恆星內部溫度上升到1億度時,氦元素將發生聚變,生成更重的元素,聚變過程也更加複雜,產物主要以碳和氧為主,還有一些氖元素等等。碳、氖、氧燃燒當恆星內部溫度達到8億度後,碳開始燃燒;達到15億度後,氖開始燃燒,達到18億度後,氧開始燃燒;其產物主要是矽元素,其他還有鈣、硫等等元素。
  • 氫核聚變結束之後,是否意味著核聚變就會停止呢?
    其它的元素形成機制基本都跟恆星有關,我們都知道,恆星是宇宙中非常普遍的一種天體,它們內部時刻進行著核聚變,給黑暗寒冷的宇宙帶來了些許光明和溫暖。當宇宙早期形成了大量的氫和氦之後,這些氫和氦的凝聚也開始形成恆星。而恆星的誕生徹底改變了宇宙的演化。我們都知道,恆星基本是由氫元素組成的,而恆星內部的核聚變也可以不斷將氫聚變成氦。這就是氫氦聚變,我們的太陽現在就進行著這樣的聚變轉化過程。
  • 恆星死亡後會演變成四種天體,但最後都會變成這種星球並一直存在
    宇宙間任何事物都想戰勝時間,然而這個宇宙中又並沒有什麼永久性的東西,就連宇宙本身都要有始有終,恆星當然也是這樣。我們常常把恆星的主序星階段結束稱為恆星的死亡,實際上這只是它的一個階段,指的是恆星從形成之後開始氫核聚變,一直到劇變結束,形成白矮星中子星或者黑洞等,當其核聚變結束時,就稱為恆星死亡了,其實它是進入了另一種階段,即白矮星、中子星、黑洞,乃至黑矮星階段,其實無論是哪種階段,都是恆星的一段時期。
  • 太陽發光是因為核聚變,為什麼它不像氫彈瞬間爆炸並燃燒殆盡?
    那麼問題就出現了,人類目前對於核聚變的應用主要是在武器裝備上,也就是威力巨大的氫彈,氫彈爆炸瞬間就可以完成,那麼太陽內部的核聚變為什麼可以一直持續著進行100億年,而不是瞬間完成能量釋放過程?太陽內部的核聚變只在一定範圍內才進行,這個部分被稱為太陽內核,大約是從中心點開始達到0.2太陽半徑的位置,這個區域是溫度和壓力最高的地方,同時也是太陽核聚變發生的地方。
  • 如果太陽內部核聚變反應停止,地球多長時間會陷入黑暗?
    想要將氫演化為其它各種元素,需要一個加工廠,這個加工廠就是我們現在熟悉的恆星。恆星是宇宙中最早誕生的一類天體,它的核心處是一個核聚變反應堆,通過核聚變反應不斷將宇宙中的氫元素轉變演化為其它的元素,而宇宙有了豐富的元素才有了後來多姿多彩的宇宙世界,才有了地球生命的誕生,有的人類的誕生。
  • 太陽系「失敗的恆星」木星,如果被點燃,會變成第二個太陽嗎?
    木星大氣層中氫和氦的佔比達到了99%,在地質內部,氫和氦也佔到了96%。如此多的氫和氦,讓人不禁聯想到太陽。 但是,即使成分與太陽之類的恆星十分相似,木星並不能像它們那樣發光發熱,所以它也被人們稱為「一顆失敗的恆星」。
  • 太陽變成白矮星後會逐漸冷卻下來,它還會重生嗎?
    太陽只是銀河系兩千億顆恆星中非常普通的一顆恆星,太陽在形成之初包括地球在內的八大行星也在同一時間誕生,如今地球上的絕大多數生命都離不開太陽光,我們也知道如果地球離開太陽根本就不會出現生命,那麼這顆燃燒了46億年的恆星終有熄滅的那一天,科學家也在研究太陽到底還能持續燃燒到什麼時候。
  • 太陽的核聚變還能夠燃燒多久?聽完科學家的解答恍然大悟
    但是太空中沒有氧氣,太陽上也基本沒有氧氣,它之所以能夠燃燒是因為太陽內部時刻發生的核聚變反應國,這是更高級別的燃燒,而且產生的溫度更高,更強。對於核聚變相信很多都知道,氫彈的爆炸就是核聚變反應,可想而知它的威力有多大了。太陽的體積是地球的130萬倍,質量也是地球的33萬倍。
  • 核聚變的最終產物是鐵元素,為什麼恆星的結局卻不是一顆鐵球?
    我們平時在生活中都有過使用打氣筒的經驗,當我們使用打氣筒給籃球或者輪胎打完氣後。如果你握一下打氣筒的桶身,你會發現它非常地熱甚至還有一些燙手。這是因為你在打氣時做的功,全部變成了熱量。那麼小小的一個打氣筒體積不過幾百毫升都可以產生相當高的熱量,那麼像宇宙中體積超級龐大的天氣受到萬有引力的壓縮作用,產生的熱量不就更加恐怖了。
  • 核聚變能夠產生鐵元素,為什麼恆星最終結局卻不是變成鐵球?
    氫元素在地球上的存在並沒有那麼明顯,但是在恆星中則尤為明顯,因為一顆恆星有超過90%的元素成分都是氫元素。而它們之所以能夠保持如此高含量的氫元素,是因為氫是進行核聚變反應最基礎的元素。隨著核聚變反應的不斷進行,氫元素形成氦元素,氦元素形成鋰元素,以此類推下去,伴隨著反應的深度進行,會有越來越重的元素形成。直到核聚變形成了鐵元素之後,一顆恆星的壽命就面臨著終結。
  • 太陽內部的核聚變是怎麼發生的?量子力學告訴你答案
    今天宇宙中濃縮能量的最大來源是星光,在那裡,宇宙中最大的單個物體通過最小的過程釋放出巨大的能量:亞原子粒子的核聚變。如果你碰巧在一顆圍繞這樣一顆恆星運行的軌道上,它可以為你提供所有必要的能量,以促進複雜的化學反應,這正是地球表面發生的事情。
  • 10億年後,木星會變成太陽系的第二恆星嗎?
    那麼,木星在未來會變得越來越來熱嗎?10億年後,木星會變成恆星,讓太陽系變為雙恆星系統嗎?木星不斷散熱,表面不斷冷卻,這會導致木星內部發生收縮,由此會產生熱量。另外,木星內部的液氫和等離子態氫的對流也會產生熱量。
  • 恆星核聚變並非到鐵為止,而是以特殊方式,製造出我們認知的世界
    恆星中產生了鐵元素後,那些鐵元素(由於最重)向恆星中心集中,那周圍的那些輕核元素可還是在聚變反應啊,這個時候鐵元素周圍依然有百億度高溫,按道理鐵元素在這樣的溫度下還可以繼續聚變啊,怎麼就到鐵元素為止了?
  • 太陽到底是什麼構成的,為什麼會自發地進行核聚變?
    太陽是什麼物質組成的?按照目前主流理論「宇宙大爆炸模型」,我們知道,宇宙起源於一次大爆炸。太陽主要就是由氫和氦構成的估計你要質疑我了,畢竟地球並非如此。但我們要知道,太陽佔整個太陽系總質量的99.86%以上,地球只是一個普通的行星,而且還是行星中很小的那種。那些大行星也是主要由氫和氦構成的。太陽為什麼會自發核聚變?
  • 核聚變至少要一億度,太陽核心只有1500萬度,為什麼還能核聚變?
    太陽除了有1500萬度的高溫外還有什麼?太陽是一個直徑接近140萬千米的等離子火球,儘管早期天文學家並不清楚太陽的發光原理是什麼,但也知道太陽中心的溫度會在引力坍縮的作用下變得極高,到底有多高呢?只有高溫和高壓就能聚變了嗎?1920年愛丁頓爵士提出了太陽的氫聚變成氦的反應中產生能量的模型,並且提出了在恆星內部可能會產生更重的元素!但科學家經過計算發現,太陽內核的溫度與壓力並不足以產生氫元素核聚變,這裡要強調一下,太陽上最多的元素是氫元素,但卻是氫的同位素氕,而ITER反應堆中用的是氫同位素氘和氚,必須要來區分下!