驚喜:中子星和白矮星實際上不是星

2021-01-15 新浪科技

來源:新浪科技

天狼星A和B,雙星系統中的一顆普通(類似於太陽)恆星和一顆白矮星

新浪科技訊 北京時間10月30日消息,據國外媒體報導,當我們研究宇宙中的天體時,它們通常分為兩類:

1、自發光天體,比如恆星,它們可以自己產生光;

2、非自發光天體,需要外部能源才能讓自己被看見。

後一種類別包括行星、衛星、塵埃和雲氣等,它們發出的光,要麼是反射其他光源,要麼是吸收了外部能源後再發出光亮。

但是,自發光天體就一定是星嗎?令人驚訝的是,不僅很多自發光天體並不一定是星,而且很多名字裡帶「星」的自發光天體其實也不是真正的星。褐矮星、白矮星甚至中子星都不是星,而紅矮星、黃矮星(比如我們的太陽)以及所有巨型恆星則確確實實是星。造成這種不同之處的原因是這樣的。

各種大小、顏色和質量的恆星(包括許多明亮的藍色恆星),其質量是太陽的數十倍甚至數百倍。

在我們日常生活的交談中,我們大多數人都習慣性地認為看得見的就是星星,認為它就是一個巨大的物質球,可以自己發光,可以向宇宙輻射能量。從某種意義上來說,這沒毛病:所有恆星也確實是這樣的。它們確實是一大塊物質,在重力作用下達到流體靜力平衡。它們的內部發生著一系列物理過程,將能量向外傳遞到表面。然後從它們的邊界,即恆星的光球層,一部分能量落在可見光的範圍內,進而輻射到宇宙中。

所有這些都適用於恆星,但同時也適用於其他天體,其中有一些根本不是恆星。在天文學家眼裡,想要成為一顆新星,需要跨越一個更為嚴格的門檻:內部核心點燃核聚變反應。請注意,不是隨隨便便的核聚變,而是將氫聚變成氦的核聚變反應,或者將該反應的產物繼續融合成更重元素的反應。做不到這一點,天文學家是不會把一個天體視為恆星的。

和太陽差不多質量的恆星演變過程

這聽起來似乎有點武斷,但請別急著下結論。這背後是有重要原因的:如果我們從氣態星雲講起的話,原因就會顯而易見。在宇宙中,我們目前已知的恆星都起源於氣態星雲。氣態星雲遍布整個宇宙,主要由氫和氦、以及其它微量的較重元素組成。並且,如果氣態星雲變得足夠冷或足夠大,或者內部變得足夠的不穩定,它們就會開始坍縮。

引力坍縮開始之時,有些區域的密度不可避免地會高於平均密度。與其他區域相比,高密度區域會對物質施加更大的吸引力,因而隨著時間的推移會變得越來越密集。接下來發生的事情就是,不同區域爭相吸引儘可能多的物質。但是這種情況存在一個問題:當氣態星雲坍縮時,內部的粒子會碰撞加熱,從而阻止氣態星雲進一步坍縮。

鷹狀星雲以持續不斷的恆星形成而聞名,其中包含大量的博克小球或暗星雲

唯一的出路就是這些正在坍縮中的氣態星雲可以用某種方式把能量輻射出去:它們必須得自我冷卻。最有效的方式就是藉助那些微量的較重元素,它們輻射能量的本事比氫或氦原子可大多了。隨著星雲中的一些物質區域變得越來越熱,被加熱的氣體不僅開始輻射能量,還會將能量困在內部,導致內部溫度急劇上升。

這種氣體可能會發光,但它不是恆星,至少現在還不是。不過,我們可以暫且把它當做原恆星雲,因為未來它有可能成為一顆成熟的恆星。但是原恆星雲要成為一顆成熟的恆星,其內部溫度還需要再升高,而也只有當物質不斷被吸入高密度的區域時,溫度才會繼續升高,從而困住更多熱量。

當核心溫度超過100萬開氏溫度時,最初的聚變反應登場了。

原恆星IM Lup周圍有一圈原行星盤,不僅具有環形形狀,還具有趨向中心的螺旋特點

最先發生的事情是,氘(一個質子和一個中子組成的氫同位素)與一個自由質子融合,形成一個氦-3核:具有兩個質子和一個中子。過了這一關之後,星雲正式成為「原恆星」:繼續從周圍分子雲中積累質量的一大團物質,其核心由壓力支撐。該壓力來自正在發生的氘聚變反應,正好與引力抵消。

在大多數情況下,在這團巨大的雲氣中,會有很多個核心在拼命成長,為自己吸引更多質量,並不斷遠離其他原恆星。在這場競爭中,有贏家也有輸家,因為一些原恆星可以獲得足夠的質量以加熱到大約400萬開氏溫度以上。這時候,它們就可以點燃鏈反應。為我們的太陽提供能量的就是這種鏈反應:質子-質子鏈反應。如果過了這一關,那麼恭喜你,成為宇宙大贏家:有望成為一顆真正的恆星。如果失敗了,那麼你仍會停留在這個只能融合氘的「搖擺」狀態,然後成為一顆褐矮星:一顆失敗的恆星。

Gliese 229是一顆紅矮星,周圍有一顆褐矮星Gliese 299b繞行

褐矮星的質量在13倍木星到80倍木星之間:大約是太陽質量的7.5%。雖然它們被叫做褐矮星,但它們並不是真正的恆星,因為它們沒有達到臨界闕值:無法經歷成為一顆成熟恆星必需的聚變反應。如果一顆褐矮星與另一顆褐矮星合併或和另一顆褐矮星共生獲得足夠的質量,然後成功跨越這道質量門檻的話,它可以晉級成為一顆紅矮星:把氫融合成氦並成為一顆真正的恆星。

這些真正的恆星的質量、顏色和亮度各不相同。質量在太陽的7.5%到40%左右之間的恆星,是紅矮星:它們會把氫燃燒成氦,但也就僅此而已;它們永遠無法達到更高溫度去做其他事情。質量在太陽的40%到800%之間的恆星會最終演變成紅巨星,然後將氦融合成碳,直至燃料耗盡。質量更大的恆星會演變成超巨星,並在生命盡頭爆發成為超新星。

現代恆星分類系統——Morgan–Keenan光譜分類系統

所有燃燒氫、氦、碳或其他較重元素(最重不超過鐵元素)的恆星——不管它們是矮星大小、巨星大小還是超巨星大小——都是恆星。只要它們能通過核聚變的能量釋放過程將較輕元素融合成較重元素,我們就可以說它們是恆星。有些恆星穩定,有些則會有脈動和耀斑;有些是恆定的,有些則會變化;有些是紅色的,有些卻是藍色的;有些光芒非常微弱,有些光芒則是太陽的數百萬倍。

但這些都沒關係;它們依然都是恆星。只要這些天體的核心內有核聚變正在發生(氘燃燒除外),它們就是恆星。

但是,每一顆恆星的燃料都是有限的,根據愛因斯坦的著名方程式E = mc,它們也只能將有限的質量轉變為能量。當聚變停止,並且核心收縮、溫度進一步升高,而不再有新的聚變發生時,恆星的一生就算到此結束了。等到這一天,唯一的問題就是,接下來會發生什麼。

大質量恆星的一生

據我們所知,根據恆星的質量和情況,這時候會有五種選擇:

1、紅矮星將完全由氦元素構成,整個(前)恆星會收縮成白矮星,最終慢慢冷卻熄滅成黑矮星;

2、 和太陽差不多的恆星的外層氣體殼會被吹走,然後成為行星狀星雲,而恆星的核心收縮成碳氧白矮星,最後慢慢冷卻熄滅成黑矮星;

3、 更重的恆星註定爆炸成為超新星,低質量的超新星會在它們的核心產生質量為2.5倍到2.75倍太陽的中子星;

4、 高質量的超新星仍將會爆炸,但它們的核心太大而無法再產生中子星,而是會產生黑洞;

5、 或者,在極少數情況下,本將爆炸成為超新星的超巨恆星的外層氣體殼被偷走。這種情況下,失去外殼的恆星內部會產生「奇特的」白矮星,比如氖白矮星或鎂白矮星。

不過,這些一般宿命——白矮星、中子星和黑洞,僅代表了我們所知道的可能性。

在質量最大的中子星核心,單個原子核可分解成夸克-膠子等離子體

當然,也會有更多奇特的可能性發生。中子星可以和一顆巨星合併,從而形成索恩-祖特闊夫天體。一顆極超新星或潮汐力崩潰事件會撕裂整顆超巨恆星,最終什麼都不剩。或許壓縮的物質還會有進一步的退化形式——像奇特星、夸克星、先子星等等。我們只是尚未發現和識別到它們而已。此外,所有白矮星都會慢慢冷卻熄滅,先是發出紅光,然後是紅外光,最終在很久很久很久以後變成漆黑一片。

這些恆星殘骸的名字裡雖然也帶星,但它們其實根本不再是恆星。它們核心內部一旦停止聚變反應,便只是恆星殘骸:曾經恆星的遺留產物。白矮星不是星,白矮星的最終宿命黑矮星也不是星。中子星不是星;黑洞也不是星。其他奇特的星,比如奇特星、夸克星或先子星,即便真的存在,它們也不是星。索恩-祖特闊夫天體內部如果繼續聚合較重元素的話,可以保留星身份;但只要聚變反應停止,它就不再是星。

索恩-祖特闊夫天體是一種假設存在的恆星,為核心有中子星存在的紅巨星或紅超巨星

當你將所有這些信息放到一起時,我們可以清楚地區分哪些是恆星、哪些不是恆星。坍縮的核心由輻射支撐並繼續從周圍分子雲吸收雲氣的,那是原恆星,但不是真正的恆星。核心內部只融合氘而再無其他的,那是褐矮星(即進化失敗的恆星),但也不是真正的恆星。只有核心內部成功地在400萬開氏溫度或以上,把氫融合成氦、或把氦(或更重元素)融合成其他更重元素的,才可以被授予「恆星」身份。

然而,核心內的核聚變反應一旦停止,你就不再是一顆恆星。任何種類的恆星殘骸——白矮星、中子星、黑矮星等等,都不是恆星,只能說曾經輝煌過。這些殘骸也許會在之後的數萬億年裡繼續發出光芒,閃耀的時間可能比孕育它們的真正恆星的壽命更長,但歸根結底,就算名字帶「星」,它們也已經不再是真正的星。雖然沒有聚變也仍然可以發光,但它們終究不再是恆星。(勻琳)

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  • 介於白矮星和黑洞之間的星體:中子星
    同白矮星一樣,中子星是處於演化後期的恆星,它也是在老年恆星的中心形成的。只不過能夠形成中子星的恆星,其質量更大罷了。根據科學家的計算,當老年恆星的質量為太陽質量的約8~2、30倍時,它就有可能最後變為一顆中子星,而質量小於8個太陽的恆星往往只能變化為一顆白矮星。 中子星(43張) 但是,中子星與白矮星的區別,不只是生成它們的恆星質量不同。
  • 知道白矮星、中子星和黑洞是怎麼形成的嗎?
    白矮星中子星,也可以叫脈衝星,但是有區別的是中子星就是脈衝星,脈衝星不一定是中子星。中子星的表面溫度很高,比白矮星的溫度高很多,中子星的表面溫度可以達到1000萬攝氏度,內部溫度超過6億攝氏度。密度也比白矮星大,在中子星上,每一立方釐米的物質可以達到10億噸。並且它的旋轉速度極快。
  • 科普:白矮星與中子星的區別
    ,恆星隨著時間的推移,會向宇宙中發射一定的脈衝,並且體積越小,質量越大的恆星發射的這種脈衝越大,就跟地球的磁場一樣,並且脈衝星需要極高的自轉才能發射這種脈衝,一般只有速度極快的中子星才能形成脈衝星,中子星就是恆星演化到末期的一種變星,中子星就是一種介於白矮星和黑洞之間的星體,並且密度比地球上任何物質的密度都大。
  • 錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?
    因此,我們今天不說黑矮星,主要說說白矮星和中子星。白矮星和中子星存在的依據是什麼?我們知道,宇宙中任何天體物質都受萬有引力定律約束,這個定律表達式為:F=GMm/r。白矮星就是依靠電子簡併壓支撐著天體自身的引力壓,保持了一個平衡;中子星依靠中子簡併壓抵禦自身引力壓保持一個平衡。這兩種簡併壓不在一個數量級上,因此兩種天體所能抵禦的引力壓就完全不同。這就是白矮星和中子星存在的根據。
  • 白矮星和中子星的質量下限分別是多少?
    【每日科技網】  白矮星和中子星的前身都是恆星,它們的最主要區別在於質量不同。恆星的質量大小決定著最終會演化成什麼天體,白矮星和中子星是兩種可能的結局。在銀河系的一千多億顆恆星中,98%的恆星質量都是小於太陽8倍,這意味著它們最終都會演化為白矮星。
  • 白矮星和中子星內部的哪種力抵消了自身引力的壓縮
    當恆星內部的壓力不足以支撐住引力的時候,恆星會向內縮小,而這種縮小又會加劇核聚變的發生,使之溫度更高壓力更高,知道能和引力抗衡。但是當恆星的核燃料耗盡時,它已無法核聚變產生高溫高壓了,此時這顆恆星就有可能坍縮成白矮星、中子星或黑洞。如果沒有其它力能抵抗住引力的吸引,那麼它就會變成黑洞。
  • 白矮星或中子星的質量變化後會發生什麼?
    問題:我一直為白矮星和中子星的大小問題而感到疑惑。然而這次我詢求的並不是它們的大小本身,而是當物質施加在它們身上時所引發的一系列變化。用一個由一顆白矮星和一顆紅巨星組成的聯星系統來舉例,如果紅巨星的物質轉移到白矮星上,那麼白矮星的大小將如何隨著時間變化?這顆白矮星會因為這些附加質量而一直增大,直到它坍塌成一顆中子星?還是說它會因為質量過大而繼續收縮?
  • 中子星是什麼?中子星分為哪幾種?
    中子星也被稱為波霎,這是恆星在生命演變的最後階段,它們發生了超新星爆炸之後可能達到的終點。並不是所有的恆星都會成為中子星的。
  • 很多自己發光的天體並不一定是恆星 褐矮星、白矮星和中子星都不是
    後一種類別包括行星、衛星、塵埃和雲氣等,它們發出的光,要麼是反射其他光源,要麼是吸收了外部能源後再發出光亮。但是,自發光天體就一定是星嗎?令人驚訝的是,不僅很多自發光天體並不一定是星,而且很多名字裡帶「星」的自發光天體其實也不是真正的星。
  • 中子星核心存在大量夸克,介於黑洞和中子星之間的夸克星可能存在
    但是,在自身引力的作用下,恆星中的氫元素開始發生核聚變,產生極高的溫度和極大的壓力來抵抗引力的收縮。但是當恆星的燃料開始耗盡時,也就是恆星內部開始聚合成鐵的時候,它的外部就會向外膨脹直至爆炸,只留下一個緻密的核心。這個核心最終可能會成為白矮星、中子星或黑洞的其中一種,這取決於它的質量。
  • 白矮星,中子星,夸克星有什麼區別呢?
    如果你為白矮星的巨大密度而驚嘆不已的話,這裡還有讓你更驚訝的呢!我們將在這裡介紹一種密度更大的恆星:中子星和夸克星。
  • 白矮星●中子星●夸克星●小黑洞
    太陽燃燒到燈枯油盡,最終變成鐵蛋而不是氦球。太陽表面溫度5600K,中心溫度1500萬K。太陽的平均密度為1.4克/釐米³,是地球平均密度的1/4。而脈衝星兩極磁場強度高達1萬億Gs,甚至20萬億Gs。中子星表面溫度約為1000萬K,中心溫度高達60億K。由於內部極度高溫,有的中子星兩極會脈衝式地噴射出粒子流,所以又稱為脈衝星。中子星都會高速自旋。
  • 白矮星和中子星的「極限」:這兩位科學家的名字,告訴了我們答案
    白矮星和中子星的「極限」:這兩位科學家的名字,告訴了我們答案我們知道宇宙當中存在恆星和行星這兩種星球,其中恆星的質量和體積都比較大,所以內部能夠啟動熱核聚變反應,釋放出巨大的能量。而恆星的最終演化,通常都會走向三個結局:白矮星,中子星或者黑洞。那麼恆星演化成白矮星和中子星的極限,分別都是什麼呢?白矮星和中子星的質量最大又能夠有多大呢?這是個非常值得探討的問題——當然也早就有科學家對其進行研究,並且給出了我們確切的答案,而且還各自用他們的名字命名了自己的科研成果。今天小編就來和大家聊一聊,宇宙當中恆星演化形成的白矮星和中子星,質量的極限分別都是多大。
  • 當你改變白矮星和中子星的質量時會發生什麼?看完細思極恐
    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?
  • 恆星晚年演化過程,白矮星,中子星,黑洞,哪一種才是終點?
    根據恆星和太陽的質量對比,恆星死亡之後會產生四種結局,紅矮星、白矮星、中子星和黑洞。其中產生中子星和黑洞的過程中會發生超新星爆炸現象。小於0.4個太陽質量的恆星,因為需要較少的能量來對抗恆星本身的引力,演化過程非常緩慢,目前的宇宙年齡還不足以耗盡它們的用來聚變產生的能量的氫。
  • 白矮星,中子星和黑洞,我們的太陽死後會變成什麼?
    等等等等……然而,有時候神奇的大自然會給我們幫大忙,在兩種事物中劃出準確的分割線,就比如區分白矮星,中子星和黑洞。它們可能都是已經逝去恆星的殘骸,區分它們的方式也很簡單,就是看它們如何抵抗那勢不可擋的重力。
  • 神奇的量子物理:白矮星與中子星的奧秘
    回答是的,恆星演化終結殘留下的中心天體,諸如白矮星和中子星,它們就是量子物理控制宇宙的案例。量子效應導致的力量無處不在,然而在宏觀條件下,其波動性遠遠小於粒子特性,所以量子效應可以忽略不計。但是在一些特定宇宙環境下,物質波動性表現大於粒子性質,電子和中子這些微小粒子甚至支撐著宇宙中隨處可見的緻密星體,而緻密星體包括白矮星、中子星和黑洞。