一口气搞懂各种恒星的一生,演化过程颠覆认知

实际上,恒星演化是一个极为复杂的过程。不仅有那种留下一个白矮星、中子星、黑洞的情况,也有炸的啥都不剩的情况。那具体是咋回事呢?

在宇宙中,如果非要找一个最核心的参数,那一定就是质量。天体的质量大小可以直接决定它会成为什么天体,比如:小行星,行星,恒星等。因此,天文学界有句黑话:质量为王。而研究恒星的演化,实际上也要对它们进行质量的分类才能研究。

7%~50%太阳质量的恒星

如果恒星的质量介于太阳质量的7%~50%之间,那这就是一颗红矮星。红矮星由于自身的质量很小,因此引力都比较小。(相比较其他类型的恒星)而恒星的核聚变反应的剧烈程度是和恒星自身质量有关的。因此,红矮星的核聚变反应会非常温和,属于“文火慢炖”型的。正是因为反应很温和,因此恒星的寿命都比较长,至少都在千亿年的级别。

当红矮星内核的核聚变反应是氢原子核的核聚变,生成氦原子核。而由于自身质量不够大,因此,没办法再促发氦原子核的核聚变反应。所以,到了红矮星的晚年会越来越暗,最后成为一颗黑矮星。(不过,客观地说,关于红矮星的模型,目前还只是猜测,这是因为宇宙大爆炸至今只有138亿年,因此,目前还没有一颗红矮星达到生命的尽头。)

这里多补充一句,红矮星的演化其实还是一个“谜”,这是因为我们只有理论,而没办法实际观测到。主要是红矮星的寿命很长,而宇宙到目前也不过138亿年,因此宇宙目前还没有出现过红矮星的死亡。

(0.5~3)倍太阳质量

如果恒星的质量达到太阳质量的0.5倍~3倍之间。太阳其实就是在这个区间当中。这类恒星也是进行氢原子核聚变反应,生成氦原子核。(整个过程其实有两条路径,分别叫做质子-质子反应链和碳氮氧循环。)

烧完氢原子核之后,恒星的核心会快速收缩,这时候引力势能会转化为热能,于是恒星内核的温度会急剧升高,同时外层的物质会被推开。于是,这时候就会膨胀起来。就拿太阳来说,太阳到了这个时期半径会变大原来的200倍。我们也管这个时间的恒星叫做红巨星。

上文提到恒星的温度会急剧升高,当达到一定温度时(1~2亿度),氦原子的核聚变反应也会被促发,氦原子核核聚变反应生成碳原子核和氧原子核。(这里的碳原子核氧原子核是最终产物,中间其实还会有铍原子核生成。)

当恒星内核的氦也烧完后,内核会进一步收缩,温度继续升高。但是由于自身质量不够大,所以能达到的温度还不足以点燃碳原子核氧原子的核聚变反应。不过,这种收缩的效应会迫使靠近内核的壳层氦原子核继续发生核聚变反应。这就导致壳层也会膨胀开来,然后和内核核心脱离开,最终成为行星状星云。

当燃料彻底耗尽,行星状星云也就没有办法被照亮了,然后逐渐黯淡下去。而内核会最终形成一颗白矮星。(这时候电子的简并力会和引力形成平衡。)

这里补充一下电子简并力,实际上这是一种微观的量子效应导致的,原理是泡利不相容原理。意思是是说,电子原本应该按照一定的规则排排坐,不能同属一个状态。(这就好像教室里排座,两个同学不能坐到同一个座位上是一个道理)。当外界引力很强势,就迫使电子的这种排序又被打扰趋势,这时候这些电子就会显现出一种“宁死不屈”的架势,这就是电子简并力,就好像产生了一种“力”抵抗住了外界的引力。

3~8 倍太阳质量

如果恒星的质量介于太阳质量的3~8倍。那其实还是和上文提到的两类恒星类似,要先进行氢原子核核聚变反应,然后再是氦原子核的核聚变反应,然后它可以继续促发碳原子核的核聚变反应,生成镁、硅、磷、硫等元素原子核。

这里要补充一点,碳核聚变反应的速度特别快,就有点像氢弹爆炸一下,在不到1秒的时间内全炸了。外壳会被直接炸飞,这个过程也叫做碳闪。

如果恒星的质量是这个区间内比较小的,那最终就成为一颗白矮星。如果是质量比较大的,那碳闪之后,所有的物质都会被抛洒到太空,只会留下弥漫星云。

不过,还存在一种情况,那就是双星系统,这在宇宙中是很广泛存在的。当其中一颗恒星成为了一颗白矮星后,随着另外一颗发展到红巨星时,就会被白矮星吸积,当白矮星获得足够的额外质量就会发先生超新星爆炸,这是Ia型超新星爆炸中的一种。

(所以,我们看在3-8倍太阳质量的恒星中,就存在着最后演化结果是什么都不存在的情况。)

8倍太阳质量以上

如果恒星是太阳质量的8倍以上(也有说9倍或者10倍的。),这时候核聚变反应一直持续下,一直持续到铁元素。

如果我们从原子核的角度来看,铁原子核是最稳定的,要促使它发生核聚变反应特别难,需要非常苛刻的条件。

只有特大质量恒星在其引力作用下才有可能发生。而在铁发生剧烈反应之前,整个恒星是非常臃肿的,分成好几层,每一次都在发生不同的核聚变反应,就像洋葱一样。

最后,这类恒星会在强大的引力作用下,光子击穿原子核,释放出中子和质子,然后质子与自由的电子发生作用,生成中子和中微子,整个过程会吸收大量的能量。最后,恒星的内核会变成一个中子星或者黑洞,并且引爆IIa型超新星爆炸。

以上,就是不同类型恒星的演化。