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人类源流——恒星演化2

2017-10-28  东门西书

大质量恒星:在大质量的恒星,在电子简并压力能够成为主流之前,核心已经大到能够将由氢融合产生的氦引燃。因此当这些恒星在膨胀和冷却时,它们的亮度不会比低质量的恒星大多少;但是它们会比低质量恒星开始时的阶段亮许多,并且也会比低质量恒星形成的红巨星明亮,因此这些恒星被称为超巨星。

质量特别大的恒星(大约超过40倍太阳质量),会非常明亮和有着分长高速的恒星风。在它们膨胀成为红巨星之前,因为强大的辐射压力,倾向于先剥离外面的气体壳层,因而它们的质量损失也非常快,这导致它们在主序带的阶段都维持着表面的高温(蓝白的颜色)。因为恒星的外壳会被极端强大的辐射压剥离,因此恒星的质量不能超过120个太阳质量。虽然较低的质量可以使外壳被剥离的速度减缓,但如果它们是靠得够近的联星,当它膨胀而外壳被剥离时,会与伴星结合;或是因为它们的自转够快,对流作用将所有的物质带至表层,造成彻底的混合,而没有可以分离的核心和外壳,都能避免成为红巨星或红超巨星。

当从外壳的基部获得氢并融合成氦时,核心也逐渐变得更热和更密集。在大质量的恒星,电子简并压力不足以单独的阻止重力崩溃,至于每一种在核心被消耗掉的元素,点燃更重的元素融合之火,也都能暂时的阻止重力崩溃。如果恒星的核心不是太重(质量大约低于1.4倍太阳质量,考虑到在这之前已经产生了许多质量的损耗),它也许可以如前所述的质量较低恒星,形成一颗白矮星(外面可能有行星状星云包围着),不同的是这种白矮星主要是由氧、氖和镁组成。

在有些质量之上(估计是2.5倍太阳质量,原始恒星的质量大约在10倍太阳质量以内),核心的温度可以达到局部破坏的温度(大约是1.1GK)开始形成氧和氦,而氦又会立刻和残余的氖融合成镁;然后氧融合形成硫、硅和少量的其它元素。最后,温度达到任何一种元素都会被局部毁坏的高温程度,通常都会释放出α粒子(氦核),又立刻和其它原子核融合,所以有少数的原子核经过整理之后会成为更重的原子核,而释放出来的净能量是增加的,因为打破母原子核所释放出来的能量大于融合成子原子核所需要的能量。

核心质量太大不能形成白矮星,又未能达到足以承受氖转换成氧与镁的恒星,在融合成更重的元素之前,就将经历重力崩溃的过程(因为电子捕获)。无论电子捕获造成温度增加或降低,都会在重力崩溃之前构成比原来小的原子核(像是铝和钠),可以在重力崩溃之前对总能量的产生造成重大的冲击。这也许对之后产生引人注目的超新星爆炸与抛出的元素和同位素丰度都有影响。

一旦恒星核合成的过程产生铁-56,接下来的过程都将消耗能量(将碎片结合成原子核所释放出来的能量小于将母原子核击碎所需要的能量)。如果核心的质量大于钱德拉塞卡极限,电子简并压力将不足以支撑与对抗因为质量所产生的重力,核心将突然的产生崩溃,灾难性的崩溃将形成中子星或黑洞(在核心的质量超过托尔曼-欧本海默-瓦可夫极限的情况下)。虽然还未完全了解过程,某些重力位能的转换使这些核心崩溃并被转换成IbIcII型超新星。只知道在核心崩溃时,就像在超新星1987 A所观测到的,会产生巨大的微中子浪涌。极端高能量的微中子会破坏一些原子核,它们的一些能量会消耗在释出核子,包括中子,还有一些能量会转换成热能和动能,因而造成冲击波与一些来自核心崩溃的物质汇合造成反弹。在非常致密的汇合物质中发生的电子捕获产生了额外的中子,有些反弹的物质受到中子的轰击,又诱发了一些核子捕获,创造出一系列,包括放射性物质铀在内,比铁重的元素。虽然,非爆炸性的红巨星在早期的反应和次反应中释放出的中子也能创造出一定数量比铁重的元素,但在这种反应下产生比铁重的元素丰度(特别是,有些稳定和长寿的同位素与一些同位素)与超新星爆炸有着显着的不同。我们发现太阳系的重元素丰度与这两者都不一样,因此无论是超新星或红巨星都无法单独的用来解释被观察到的重元素和同位素的丰度。

从核心崩溃转移到反弹物质的能量不仅产生了重元素,还提供了它们加速和脱离所需要的逃逸速度(这种机制还没有被充分的了解),因而导致IbIcII型超新星的生成。目前对这些能量转移过程的了解仍不能令人满意,虽然目前的计算机模拟能对IbIcII型超新星的能量转移提供部分的解释,但仍不足以解释观测到的物质抛射所携带的能量。从分析中子星联星(需要两次相似的超新星)的轨道参数和质量获得的一些证据显示氧氖镁核心崩溃所产生的超新星可能与观测到由铁核崩溃的超新星有所不同(除了大小之外还有其它的不同)。

质量最大的恒星也许在超新星爆炸中因为能量超过它的重力束缚能而完全的被毁灭。这种罕见的事件,导致成对不稳定,事后的残骸连黑洞都不是。

四、恒星残骸

恒星在耗尽了它的燃料之后,依据它在生命期间的质量,如果不计算假设中的奇异星,它的残骸会是下面三种型态之一。

1.白矮星:太阳质量的恒星,演化成白矮星之后的质量大约是0.6太阳质量,被压缩的体积则近似地球的大小。白矮星是非常稳定的天体,因为它向内的重力是与核心的电子产生的电子简并压力(这是包立不兼容原理导致的结果)达到平衡。电子简并压力提供了一个相当宽松的极限来抵抗重力进一步的压缩;因此,针对不同的化学元素,白矮星的质量越大,体积反而越小。在没有燃料可以继续燃烧的情况下,恒星残余的热量仍可以继续向外辐射数十亿年。

白矮星的化学成分取决于它的质量。只有几个太阳质量的恒星,可以进行碳融合产生镁、氖和少量其它的元素,造成一颗主要成分是氧、氖和镁的白矮星。在抛弃掉足够质量的条件下,使它的质量不至于超过钱德拉塞卡极限;并且在碳燃烧不够猛烈的条件下,使他免于成为一颗超新星。质量的数量级与太阳相同的恒星无法点燃碳融合的核反应,所产生的白矮星主要成分是碳和氧,而且质量太低,不足以产生重力崩溃,除非在后期能够增加质量。质量低于0.5太阳质量的恒星,连氦燃烧都无法引燃,因此压缩后成为白矮星之后的主要成分是氦。

在最后,所有的白矮星都将变成冰冷黑暗的天体,有些人就称它们为黑矮星。但是目前的宇宙还不够老,还不足以产生像黑矮星这样的天体。

如果白矮星的质量能增加至超越钱德拉塞卡极限-对主要成分是碳、氧、氖、和/或镁的白矮星,是1.4太阳质量,电子简并压力将无法抵抗重力,将会因为电子捕获导致恒星塌缩。取决于化学成分和塌缩前的核心温度,核心可能会塌缩成为一颗中子星,或是因为引燃碳和氧的燃烧而失控。质量越重的元素越倾向于恒星塌缩,因为需要较高的温度才能重新点燃核心的燃料,也因此能使核子减轻的电子捕获过程能使核反应较容易进行;然而,越高的核心温度越容易造成恒星核反应的失控,这会导致恒星塌缩成为Ia超新星。即使大质量恒星死亡产生的II 型超新星释放出的总能量更多,这种超新星会比II型超新星还要明亮数倍。这种会导致塌缩的不稳定性使得超过甚至接近1.4太阳质量的白矮星不可能存在(唯一可能的例外是超高速自转的白矮星,因为离心力的作用抵销了质量上的问题)。联星之间的质量转移可能会造成白矮星的质量接近钱德拉塞卡极限,因而造成不稳定的状况。

如果在密近双星系统中有一颗白矮星和一颗普通的恒星,来自较大伴星的氢会在白矮星周围形成吸积盘,并使得白矮星的质量增加,直到白矮星的温度增加引发失控的核反应。在白矮星的质量尚未达到钱德拉塞卡极限之前,这种爆发只会形成新星。

2.中子星:当恒星的核心崩溃时,压力造成电子捕获,因而使得大多数氢都转变成为中子。原本使原子核分离的电磁力消失之后(在比例上,如果原子核的大小如同尘埃,原子的大小就如同一个600英呎长的足球场),恒星的核心就成为只有中子的致密球体 (就像是个巨大的原子核),在外面有几层由简并物质(主要是铁的薄层和后续的反应产生的物质)组成的外壳。中子也遵循包立不兼容原理,使用类似电子简并压力但更强的力来抵抗重力的压缩。

像这种被称为中子星的恒星,是非常小的,直径的数量级只有10公里,尺寸不会超过一个大城市的大小并且有折极高的密度。它们的自转周期由于恒星的收缩而戏剧性的缩得很短(因为角动量守恒),有些高达每秒600转。随着这些恒星的高速自转,每当恒星的磁极朝向地球时,地球就会接到一次脉冲的辐射。像这样的中子星被称为波煞,第一颗被发现的中子星就是这种型态的。

3.黑洞:如果恒星的残骸有足够大的质量,中子简并压力将不足以阻挡恒星塌缩至史瓦西半径之下时,这个恒星的残骸就会成为黑洞。现在还不知道需要要多大的质量才会发生这种情况,而目前的估计是在23太阳质量。

黑洞是广义相对论所预测的天体,而在天文学上的观测和理论也都支持黑洞的存在。依据广义相对论传统的说法,没有物质或讯息能够从黑洞的内部传递给在外部的观测者,虽然量子效应允许这种严谨的规律产生误差。

虽然恒星经由塌缩产生超新星的机制还未被充分的了解,也不知道不经过可见的超新星爆炸,恒星是否能够直接塌缩形成黑洞;还是超新星爆炸之后要先形成中子星,然后再继续塌缩成为黑洞;从最初的恒星质量到最后的残骸质量之间的关联性也不完全的可靠。要解决这些不确定的问题,还需要分析更多的超新星和超新星残骸。


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