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圖解:下降中的球進行動量傳遞。
通過掉落的橡膠球展示引力反彈的原理,以及如何引起超新星爆炸,同時還說明了為什麼在這類爆炸中總是會留下一個核心。(公有領域圖片,來源:克里斯多福·貝爾德)
超新星不會完全摧毀一顆恆星,超新星爆炸的猛烈程度堪稱宇宙之首。但它們不像炸彈爆炸一樣,炸掉原炸彈的每一點。相反,當一顆恆星爆炸成超新星時,它的核心會存活下來。正如美國宇航局所解釋的那樣,超新星爆炸是由引力反彈效應,而不是由化學反應引起的。
的確,在大多數恆星中,有猛烈攪動著的氫聚變反應,但這些不會爆炸形成超新星。恆星如此之大,以至於引力足以將他們凝聚在一起,以防止核反應產生的能量將它們吹散。是引力反彈在超新星形成過程中把恆星炸開。
許多科學博物館內展示了典型的動量傳遞,如右側動畫所示。不同尺寸的橡膠球掛在不同的高度,然後在同一時刻放手。重力把它們拉下來,所有球都掉在地上。在接下來的幾分鐘裡,底部的球擊中地面並反彈,然後球之間開始碰撞。動量等於質量乘速度,這意味著,一個重而慢的物體,可能與輕而快的物體擁有同等的動量。當兩個物體碰撞時,它們傳遞了一些動量。
當一個重而慢的物體與一個輕物體碰撞時,因為動量守恆,重的物體可以給輕的物體一個非常高的速度。正如這個動畫所示,通過將橡膠球從底部最重到頂端最輕排列,動量被轉移到更輕的物體上,帶來了更高的速度。因此,即使重力將所有球向下拉,上球也會以令人難以置信的速度反彈;這一切都符合動量守恆規律。
較低的球太重,太慢,彈不走,所以仍然作為原系統倖存的核心。另一方面,上部的球被吹走(在科學博物館的展覽中,它們被捕獲在儀器的頂部,以便可以重新運行演示)。橡膠球的爆發沒有發生任何重大的化學或核反應。這種爆發僅僅是由於重力和動量傳遞,即重力反彈。如果你仔細觀察動畫,你會發現反彈採取外向衝擊波的形式,隨著衝擊波的擴散,強度會增加。
在超新星爆炸之後,我們看到的是一個膨脹的星塵殼被拋向宇宙中,像這個蟹狀星雲圖像一樣。我們看不到恆星倖存的部分——它的核心。在蟹狀星雲中,超新星的力量已經使得恆星核心坍塌形成中子星。(公共領域圖片,來源:美國宇航局)
超新星和這種橡皮球演示的是同一種爆炸。年邁的恆星是由中心向下的較厚層和表面附近的較薄層組成,恆星核反應產生的力基本與重力平衡。但是當恆星耗盡燃料時,核反應會減慢,這意味著重力不再被平衡,重力開始使恆星坍塌。當塌縮恆星的核達到臨界密度後,其壓力強得足以抑制坍塌。
但是,像橡皮球一樣,恆星一直在向內下落,現在又該反彈了。外層在巨大的爆炸中被吹向太空,將肥沃的塵埃雲散布在宇宙中。但由於動量傳遞,恆星的核心得以存活。坍塌事件強烈地擠壓了恆星的核心,以至於它變成了一種奇異的東西。
如果恆星質量是太陽的5到12倍,核就會變成一個大中子球,我們稱之為中子星。如果質量是太陽的12倍以上,核就會變成黑洞(維基百科上說目前還沒有確定)。你可能會想爭辯說,當一顆恆星爆炸後,除了黑洞之外一無所有,因此恆星已被完全摧毀。但是黑洞並不,黑洞有質量、電荷、角動量和施加重力。黑洞只是一顆足夠緻密的恆星,因此具有足夠的引力,能夠防止光線逃逸。超新星產生的黑洞是爆炸的恆星的遺留核。
不是所有的恆星都會經歷超新星爆炸。質量低於太陽質量5倍的恆星太輕,無法經受這種劇烈的轉化,它們根本沒有足夠的重力進行塌縮和反彈。當較輕的恆星耗盡核燃料時,它們會經歷一系列的階段,最後成為長壽的白矮星。當然無論恆星最終是變成中子星、黑洞還是白矮星,它們都永遠不會完全消失。
參考資料
1.WJ百科全書
2.天文學名詞
3.wtamu
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