驚喜:中子星和白矮星實際上不是星

據國外媒體報道,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?

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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

令人驚訝的是,不僅很多自發光天體並不一定是星,而且很多名字里帶「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。

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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。它們的內部發生着一系列物理過程,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范圍內,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。在天文學家眼里,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。

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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,但請別急着下結論。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,因而隨着時間的推移會變得越來越密集。接下來發生的事情就是,不同區域爭相吸引盡可能多的物質。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。

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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。隨着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。

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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,會有很多個核心在拚命成長,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。

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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並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。

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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。

但這些都沒關系;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 = mc²,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。

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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。

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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並,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里雖然也帶星,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。

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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里繼續發出光芒,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。

來源:cnBeta