本文參加百家號 #科學了不起# 天文航天系列徵文賽。
網友：我當時在思考白矮星和中子星的體積問題。但問題卻不在於體積大小，而是當你增加它們的質量時會發生什麼。
例如，如果一個白矮星在一個雙星系統內，其中有一個紅巨星正在失去物質，並且這些物質被加入到白矮星上，那麼白矮星的體積會如何隨時間變化？增加的物質會使它變大，直到它質量過大而坍塌成中子星，還是增加的質量會使它在更多的質量的支撐下加速變小？我認為同樣的類比也可以用於中子星獲得質量，並最終變成黑洞。它的大小如何隨著質量的增加而變化？我同時也認為體積可能不變，但我不知道為什麼。我的問題是，當物質被加入時，這些恆星的大小會發生什麼變化？
圖解：脈衝星PSR B1509-58的輻射，一個快速旋轉的中子星，使得周邊氣體X射線發光（金色，來自錢德拉）並且照亮星雲的其他部分，這裡以紅外線可見（藍色與紅色，來自WISE）。
回答：這些是非常有趣的問題，但答案有點複雜，並且「理論」和「現實」中的答案有些不同。白矮星（WDs）和中子星（NSs）是一類物體中的兩個，即「惰性自引力器」，也就是它們純粹用氣壓來支撐自己而不在引力下坍塌。在這種情況下，「氣體」可指我們所熟悉任何的氣體，也可以是在白矮星和中子星中發現的惰性物質。這類中的其他物體包括褐矮星和巨行星。事實上，如果你忽略化學成分，只考慮重力和壓力，巨行星可被認為是質量非常低的白矮星，它們的物理體徵非常相似。
圖解：中子星的模型
想像一個體積小的巨行星，比如海王星，這顆行星完全由氣體和簡併壓力支撐。如果我們慢慢地把質量加到海王星上，行星的半徑就會開始增長。當然，重力和壓力也會增加，但不足以抵消體積的增加。這將持續發生，直到此星球有幾十個或數百個木星的大小。此時，重力和壓力的增加克服了我們增加的質量，物體開始變小。（記住，我們在這裡加入了惰性物質。如果我們加入的是可聚變的氫，我們會得到一顆聚變恆星，這將是一個完全不同的故事！）最終，當你增加了一個太陽左右的質量，你會得到一個和地球差不多大的物體：白矮星。
圖解：白矮星的質量——半徑關係圖
所以你的問題的答案是，對於質量小於木星的物體，增加質量會增加它們的體積；對於質量比木星大的物體，由於重力和壓力的增加，增加質量會減小它們的體積。由於白矮星和中子星比木星質量大得多，它們的體積也隨質量的增加而減小。
在現實中，當一個雙星系統將物質傾倒到白矮星上時，一顆新星就會出現，並將大部分多餘的物質送回太空。
然而，如果白矮星通過這個過程獲得足夠的質量，它將坍塌成I型超新星。超新星太強大了，可能不會留下中子星，白矮星也會被炸裂。另一方面，一顆中子星如果積聚了過多的質量，的確會坍縮成一個黑洞。
中子星是一顆巨恆星坍縮的核心，在坍縮之前，它的總質量在10到29個太陽質量之間。中子星是最小和密度最大的恆星，不包括假設的夸克星和奇異星。中子星的半徑約為10公裡（6.2英裡），質量低於2.16個太陽質量。它們是由一顆大質量恆星的超新星爆炸，再加上引力坍縮造成的，引力坍縮將白矮星的密度壓縮到原子核密度。
相關知識延伸閱讀
白矮星，也稱為簡併矮星，是由簡併態物質構成的緻密天體。它們的密度極高，一顆質量與太陽相當的白矮星體積只有地球一般的大小，微弱的光度則來自過去儲存的熱能。在太陽附近的區域內已知的恆星中大約有6%是白矮星。這種異常微弱的白矮星大約在1910年就被亨利·諾利斯·羅素、愛德華·皮克林和威廉·佛萊明等人注意到, 白矮星的名字是威廉·魯伊登在1922年取的。
圖解：哈伯太空望遠鏡拍攝的天狼星聯星系統，在左下方可以清楚的看見天狼伴星（天狼B）。
中子星，是恆星演化到末期，經由引力坍縮發生超新星爆炸之後，可能成為的少數終點之一。恆星在核心的氫、氦、碳等元素於核聚變反應中耗盡，當它們最終轉變成鐵元素時便無法從核聚變中獲得能量。失去熱輻射壓力支撐的外圍物質受重力牽引會急速向核心墜落，有可能導致外殼的動能轉化為熱能向外爆發產生超新星爆炸，或者根據恆星質量的不同，恆星的內部區域被壓縮成白矮星、中子星或黑洞。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3.astro- Renegades-Dave Kornreich
如有相關內容侵權，請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權，並注意保持完整性和註明出處