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。