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中子星和白矮星实际上不是星

时间:2020-11-01 14:04来源: 作者:admin 点击: 24 次
▲ 天狼星A和B,双星系统中的一颗普通(类似于太阳)恒星和一颗白矮星北京时间10月30日消息,据国外媒体报道,当我们研究宇宙中的天体时,它们通常分为两类:1、自发光天体,比如恒星,它们可以自己产生光;2、非自发光天体,需要外部能源才能让自己被看见。后一种类别包括行星、卫星、尘埃和云气等,它

▲ 天狼星A和B,双星系统中的一颗普通(类似于太阳)恒星和一颗白矮星

北京时间 10 月 30 日消息,据国外媒体报道,当我们研究宇宙中的天体时,它们通常分为两类:

1、自发光天体,比如恒星,它们可以自己产生光;

2、非自发光天体,需要外部能源才能让自己被看见。

后一种类别包括行星、卫星、尘埃和云气等,它们发出的光,要么是反射其他光源,要么是吸收了外部能源后再发出光亮。

但是,自发光天体就一定是星吗?令人惊讶的是,不仅很多自发光天体并不一定是星,而且很多名字里带 “星”的自发光天体其实也不是真正的星。褐矮星、白矮星甚至中子星都不是星,而红矮星、黄矮星(比如我们的太阳)以及所有巨型恒星则确确实实是星。造成这种不同之处的原因是这样的。

▲ 各种大小、颜色和质量的恒星(包括许多明亮的蓝色恒星),其质量是太阳的数十倍甚至数百倍。

在我们日常生活的交谈中,我们大多数人都习惯性地认为看得见的就是星星,认为它就是一个巨大的物质球,可以自己发光,可以向宇宙辐射能量。从某种意义上来说,这没毛病:所有恒星也确实是这样的。它们确实是一大块物质,在重力作用下达到流体静力平衡。它们的内部发生着一系列物理过程,将能量向外传递到表面。然后从它们的边界,即恒星的光球层,一部分能量落在可见光的范围内,进而辐射到宇宙中。

所有这些都适用于恒星,但同时也适用于其他天体,其中有一些根本不是恒星。在天文学家眼里,想要成为一颗新星,需要跨越一个更为严格的门槛:内部核心点燃核聚变反应。请注意,不是随随便便的核聚变,而是将氢聚变成氦的核聚变反应,或者将该反应的产物继续融合成更重元素的反应。做不到这一点,天文学家是不会把一个天体视为恒星的。

▲ 和太阳差不多质量的恒星演变过程

这听起来似乎有点武断,但请别急着下结论。这背后是有重要原因的:如果我们从气态星云讲起的话,原因就会显而易见。在宇宙中,我们目前已知的恒星都起源于气态星云。气态星云遍布整个宇宙,主要由氢和氦、以及其它微量的较重元素组成。并且,如果气态星云变得足够冷或足够大,或者内部变得足够的不稳定,它们就会开始坍缩。

引力坍缩开始之时,有些区域的密度不可避免地会高于平均密度。与其他区域相比,高密度区域会对物质施加更大的吸引力,因而随着时间的推移会变得越来越密集。接下来发生的事情就是,不同区域争相吸引尽可能多的物质。但是这种情况存在一个问题:当气态星云坍缩时,内部的粒子会碰撞加热,从而阻止气态星云进一步坍缩。

▲ 鹰状星云以持续不断的恒星形成而闻名,其中包含大量的博克小球或暗星云

唯一的出路就是这些正在坍缩中的气态星云可以用某种方式把能量辐射出去:它们必须得自我冷却。最有效的方式就是借助那些微量的较重元素,它们辐射能量的本事比氢或氦原子可大多了。随着星云中的一些物质区域变得越来越热,被加热的气体不仅开始辐射能量,还会将能量困在内部,导致内部温度急剧上升。

这种气体可能会发光,但它不是恒星,至少现在还不是。不过,我们可以暂且把它当做原恒星云,因为未来它有可能成为一颗成熟的恒星。但是原恒星云要成为一颗成熟的恒星,其内部温度还需要再升高,而也只有当物质不断被吸入高密度的区域时,温度才会继续升高,从而困住更多热量。

当核心温度超过 100 万开氏温度时,最初的聚变反应登场了。

▲ 原恒星 IM Lup 周围有一圈原行星盘,不仅具有环形形状,还具有趋向中心的螺旋特点

最先发生的事情是,氘(一个质子和一个中子组成的氢同位素)与一个自由质子融合,形成一个氦 - 3 核:具有两个质子和一个中子。过了这一关之后,星云正式成为 “原恒星”:继续从周围分子云中积累质量的一大团物质,其核心由压力支撑。该压力来自正在发生的氘聚变反应,正好与引力抵消。

在大多数情况下,在这团巨大的云气中,会有很多个核心在拼命成长,为自己吸引更多质量,并不断远离其他原恒星。在这场竞争中,有赢家也有输家,因为一些原恒星可以获得足够的质量以加热到大约 400 万开氏温度以上。这时候,它们就可以点燃链反应。为我们的太阳提供能量的就是这种链反应:质子 - 质子链反应。如果过了这一关,那么恭喜你,成为宇宙大赢家:有望成为一颗真正的恒星。如果失败了,那么你仍会停留在这个只能融合氘的 “摇摆”状态,然后成为一颗褐矮星:一颗失败的恒星。

▲ Gliese 229 是一颗红矮星,周围有一颗褐矮星 Gliese 299b 绕行

褐矮星的质量在 13 倍木星到 80 倍木星之间:大约是太阳质量的 7.5%。虽然它们被叫做褐矮星,但它们并不是真正的恒星,因为它们没有达到临界阙值:无法经历成为一颗成熟恒星必需的聚变反应。如果一颗褐矮星与另一颗褐矮星合并或和另一颗褐矮星共生获得足够的质量,然后成功跨越这道质量门槛的话,它可以晋级成为一颗红矮星:把氢融合成氦并成为一颗真正的恒星。

这些真正的恒星的质量、颜色和亮度各不相同。质量在太阳的 7.5% 到 40% 左右之间的恒星,是红矮星:它们会把氢燃烧成氦,但也就仅此而已;它们永远无法达到更高温度去做其他事情。质量在太阳的 40% 到 800% 之间的恒星会最终演变成红巨星,然后将氦融合成碳,直至燃料耗尽。质量更大的恒星会演变成超巨星,并在生命尽头爆发成为超新星。

▲ 现代恒星分类系统——Morgan–Keenan 光谱分类系统

所有燃烧氢、氦、碳或其他较重元素(最重不超过铁元素)的恒星——不管它们是矮星大小、巨星大小还是超巨星大小——都是恒星。只要它们能通过核聚变的能量释放过程将较轻元素融合成较重元素,我们就可以说它们是恒星。有些恒星稳定,有些则会有脉动和耀斑;有些是恒定的,有些则会变化;有些是红色的,有些却是蓝色的;有些光芒非常微弱,有些光芒则是太阳的数百万倍。

但这些都没关系;它们依然都是恒星。只要这些天体的核心内有核聚变正在发生(氘燃烧除外),它们就是恒星。

但是,每一颗恒星的燃料都是有限的,根据爱因斯坦的著名方程式 E = mc²,它们也只能将有限的质量转变为能量。当聚变停止,并且核心收缩、温度进一步升高,而不再有新的聚变发生时,恒星的一生就算到此结束了。等到这一天,唯一的问题就是,接下来会发生什么。

▲ 大质量恒星的一生

据我们所知,根据恒星的质量和情况,这时候会有五种选择:

1、红矮星将完全由氦元素构成,整个(前)恒星会收缩成白矮星,最终慢慢冷却熄灭成黑矮星;

2、 和太阳差不多的恒星的外层气体壳会被吹走,然后成为行星状星云,而恒星的核心收缩成碳氧白矮星,最后慢慢冷却熄灭成黑矮星;

3、 更重的恒星注定爆炸成为超新星,低质量的超新星会在它们的核心产生质量为 2.5 倍到 2.75 倍太阳的中子星;

4、 高质量的超新星仍将会爆炸,但它们的核心太大而无法再产生中子星,而是会产生黑洞;

5、 或者,在极少数情况下,本将爆炸成为超新星的超巨恒星的外层气体壳被偷走。这种情况下,失去外壳的恒星内部会产生 “奇特的”白矮星,比如氖白矮星或镁白矮星。

不过,这些一般宿命——白矮星、中子星和黑洞,仅代表了我们所知道的可能性。

▲ 在质量最大的中子星核心,单个原子核可分解成夸克 - 胶子等离子体

当然,也会有更多奇特的可能性发生。中子星可以和一颗巨星合并,从而形成索恩 - 祖特阔夫天体。一颗极超新星或潮汐力崩溃事件会撕裂整颗超巨恒星,最终什么都不剩。或许压缩的物质还会有进一步的退化形式——像奇特星、夸克星、先子星等等。我们只是尚未发现和识别到它们而已。此外,所有白矮星都会慢慢冷却熄灭,先是发出红光,然后是红外光,最终在很久很久很久以后变成漆黑一片。

这些恒星残骸的名字里虽然也带星,但它们其实根本不再是恒星。它们核心内部一旦停止聚变反应,便只是恒星残骸:曾经恒星的遗留产物。白矮星不是星,白矮星的最终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,它们也不是星。索恩 - 祖特阔夫天体内部如果继续聚合较重元素的话,可以保留星身份;但只要聚变反应停止,它就不再是星。

▲ 索恩 - 祖特阔夫天体是一种假设存在的恒星,为核心有中子星存在的红巨星或红超巨星

当你将所有这些信息放到一起时,我们可以清楚地区分哪些是恒星、哪些不是恒星。坍缩的核心由辐射支撑并继续从周围分子云吸收云气的,那是原恒星,但不是真正的恒星。核心内部只融合氘而再无其他的,那是褐矮星(即进化失败的恒星),但也不是真正的恒星。只有核心内部成功地在 400 万开氏温度或以上,把氢融合成氦、或把氦(或更重元素)融合成其他更重元素的,才可以被授予 “恒星”身份。

然而,核心内的核聚变反应一旦停止,你就不再是一颗恒星。任何种类的恒星残骸——白矮星、中子星、黑矮星等等,都不是恒星,只能说曾经辉煌过。这些残骸也许会在之后的数万亿年里继续发出光芒,闪耀的时间可能比孕育它们的真正恒星的寿命更长,但归根结底,就算名字带 “星”,它们也已经不再是真正的星。虽然没有聚变也仍然可以发光,但它们终究不再是恒星。

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