宇宙中可能存在直徑有1光年的恆星嗎?

2021-01-08 魅力科學君

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在過去的很長一段時間裡,「盾牌座UY」(UY Scuti)一直佔據著「已知體積最大恆星」的位置,然而近年的觀測數據卻表明,宇宙中還有比「盾牌座UY」體積更大的恆星,這顆恆星就是距離我們大約2萬光年的「史蒂芬森2-18」(Stephenson 2-18)。「史蒂芬森2-18」的直徑大約是太陽的2150倍,其體積大約是太陽的100億倍。

(「史蒂芬森2-18」和「盾牌座UY」)

我們都知道,在宇宙中存在著數量超級龐大的恆星,根據天文學家的初步估計,在我們能夠看到的宇宙範圍內(即可觀測宇宙),就存在著大約700萬億億(7 x 10^22)顆恆星。這樣的數據很容易讓人產生一個想法,那就是在這麼多的恆星裡面,一定還存在著更大的恆星,其直徑甚至可以光年這種長度單位來計算,只是我們暫時還沒有發現而已。

那麼從理論上講,宇宙中可能存在直徑有1光年的恆星嗎?

根據已知的宇宙規律,恆星通常都誕生於物質密集的原始星雲,剛開始的時候,只是星雲中的一部分物質在引力作用下聚集。由於引力有兩大特性,第一是引力沒有排斥力(即「反引力」),第二是引力沒有距離限制,因此聚集起來的物質產生的引力就可以不斷地疊加,從而吸引更多、更遠的物質。

隨著物質的逐漸增多,原始恆星就會在自身重力的作用下不斷坍塌,從而使其核心的溫度和壓力逐漸升高,當溫度和壓力達到一定程度的時候,就會點燃原始恆星核心內的氫核聚變反應,核聚變反應所釋放的能量會產生一個由內而外的輻射壓力,這就阻止了原始恆星的進一步坍塌,於是它就成為了一顆耀眼的恆星。

因此可以說,恆星內部一直存在兩股力量的較量,一方是恆星自身的重力,另一方則是恆星內部的輻射壓,只有這兩者處於一種相對平衡的狀態,恆星才可以穩定地發光發熱。總的來說,一顆恆星的質量越大,其自身的重力就越強,核心的溫度和壓力就越高,相應的其內部的核反應就越激烈。

但隨著恆星質量的增加,這兩股力量並不會一直都保持平衡,早在20世紀,天體物理學家亞瑟.斯坦利.愛丁頓(Arthur Stanley Eddington)就指出,恆星的質量存在著一個極限值,即「愛丁頓極限」(Eddington limit),其理論值為120至150倍太陽質量,當一顆恆星的質量超過「愛丁頓極限」時,其內部的核聚變反應所產生的輻射壓就會超過恆星自身的重力。

在這種情況下,輻射壓將會以動能的形式向外釋放,從而將恆星的外層物質「吹」走,而在此之後,由於恆星的質量下降了,其內部的核反應又趨於平緩,於是恆星又再一次穩定。簡單地講就是,「愛丁頓極限」就是一顆恆星能夠保持穩定的最大質量,而超過了這個質量,恆星就會變得很不穩定,並且其質量將很快回到「愛丁頓極限」之內。

要知道1光年就是以光速運動1年的距離,換算下來大約就是9.46萬億公裡,我們根本不用計算就可以知道,假如宇宙中真有一顆直徑有1光年的恆星,那麼就算以理論上的恆星最低密度來計算,這顆恆星的質量也會比「愛丁頓極限」高出很多個數量級,由此可知,即使是從理論上來講,宇宙中也根本不可能存在直徑有1光年的恆星。

「R136a1」

事實上,我們已知的質量最大的恆星「R136a1」,其質量也只有太陽的256倍,天文學家推測,之所以這顆恆星的質量超過了「愛丁頓極限」,可能是因為它可能形成於兩顆(或多顆)大質量恆星的合併,觀測數據顯示,這顆恆星正在高速地損失自己的質量,估計在不太遙遠的未來,其質量就會下降到「愛丁頓極限」以下。

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