太陽每秒鐘把約420萬噸物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量輻射出去,這場燃燒已經(jīng)持續(xù)了46億年,還能再燒約50億年。但終有一天,燃料會耗盡。屆時,這顆我們賴以生存的恒星會變成什么?答案取決于一個變量——質(zhì)量。這個質(zhì)量決定了宇宙中宇宙中的恒星,都逃不過"三種"結(jié)局。
![]()
恒星為什么會"死亡"?
一顆恒星說白了就是一團被自身引力束縛的氣體。引力無時無刻不在試圖把它往中間壓,但核聚變產(chǎn)生的輻射壓在往外頂——兩股力量較著勁,恒星就這么穩(wěn)穩(wěn)地掛在那兒發(fā)光發(fā)熱。
![]()
太陽核心溫度約1500萬開爾文,氫原子核在這里融合成氦,損失約0.7%的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量。這場拔河可以持續(xù)很久,但氫是有限的。
當(dāng)核心的氫耗盡,輻射壓下降,引力開始占上風(fēng),核心被壓縮升溫。如果恒星夠重,還能點燃氦聚變,把氦變成碳和氧,然后繼續(xù)燒下去:碳變成氖,氧變成硅,最后硅變成鐵。
![]()
但鐵是終點。鐵的聚變不釋放能量,反而吸收能量。燒到鐵,爐子就徹底熄火了。接下來發(fā)生什么,完全取決于這顆恒星有多重。
第一種結(jié)局:變成白矮星
對于像太陽這樣的中小質(zhì)量恒星,死亡其實挺平靜的。
![]()
當(dāng)太陽核心的氫燃盡,外層會膨脹成"紅巨星",體積漲到現(xiàn)在的100多倍,直接把水星金星吞進肚子。地球就算不被吞,也會被烤成熔巖海洋。紅巨星階段會持續(xù)約10億年,期間太陽會把外層物質(zhì)拋灑出去,形成美麗的"行星狀星云"。
![]()
外層拋完,剩下的就是白矮星——恒星的"骨灰"。它體積只有地球那么大,質(zhì)量卻有太陽的一半左右。一茶匙白矮星物質(zhì)重約5到10噸,差不多一輛卡車的重量被壓成一顆糖。這種密度靠的是"電子簡并壓",一種量子效應(yīng)產(chǎn)生的壓力,剛好能頂住引力。
![]()
但電子簡并壓有個天花板。1930年代,天體物理學(xué)家錢德拉塞卡算出,當(dāng)白矮星質(zhì)量超過太陽的1.4倍時,電子簡并壓就扛不住了。這就是著名的"錢德拉塞卡極限"。
![]()
白矮星不再進行核聚變,只靠殘余熱量慢慢發(fā)光,花幾十億年冷卻,最終變成徹底不發(fā)光的"黑矮星"。不過宇宙才138億歲,還沒有任何白矮星有足夠時間冷透,所以黑矮星目前只存在于理論中。
而我們的太陽就注定走白矮星這條路:膨脹、拋殼、冷卻、熄滅。
第二種結(jié)局:變成中子星
如果恒星質(zhì)量是太陽的8到25倍左右,死法就完全是另一個畫風(fēng),暴烈、壯觀、驚天動地。
![]()
大質(zhì)量恒星燒得猛,死得也早。一顆20倍太陽質(zhì)量的恒星,壽命可能只有幾百萬年。當(dāng)它燒到鐵核時,災(zāi)難在幾秒內(nèi)降臨:鐵核沒法聚變,輻射壓瞬間消失,引力把直徑幾千公里的核心在不到一秒內(nèi)壓成直徑只有20到30公里的球。
![]()
這個過程劇烈到連原子都被摧毀。電子被壓進質(zhì)子變成中子,核心變成一團純中子物質(zhì),密度達到每立方厘米約1億到10億噸。這就是我們常說的中子星,一茶匙中子星物質(zhì)重約10億噸,相當(dāng)于整座珠穆朗瑪峰被壓成一顆糖。
還有,當(dāng)向內(nèi)坍縮的物質(zhì)撞上由中子簡并壓構(gòu)成的“硬地板”時,會像皮球砸向地面一樣被猛然剎住并劇烈反彈,產(chǎn)生的反彈沖擊波把外層物質(zhì)以每秒上萬公里的速度炸飛,這就是"II型超新星爆發(fā)"。超新星亮度可以超過整個星系幾千億顆恒星的總和。
![]()
1987年,大麥哲倫星云中的超新星SN 1987A在16.8萬光年外爆發(fā),肉眼可見,還被地下探測器捕捉到了中微子信號,直接證實了理論預(yù)測。
![]()
爆炸后留下的中子星會瘋狂自轉(zhuǎn),最快的每秒轉(zhuǎn)700多圈,磁場強度達地球的上萬億倍。如果磁軸和自轉(zhuǎn)軸不重合,它會像燈塔一樣掃射電磁輻射,這就是"脈沖星"。1967年首次發(fā)現(xiàn)脈沖星時,信號太規(guī)律了,研究團隊一度以為是外星人在發(fā)電報,還給它起名叫"小綠人1號"。

然而中子星也有質(zhì)量上限,大約是2到3倍太陽質(zhì)量。超過這條線,連中子簡并壓也扛不住,物質(zhì)會繼續(xù)坍縮,走向最極端的結(jié)局。
第三種結(jié)局:變成黑洞
對于質(zhì)量超過太陽25倍左右的恒星,連中子都救不了它們。
![]()
當(dāng)核心坍縮后質(zhì)量超過"奧本海默-沃爾科夫極限"(約2到3倍太陽質(zhì)量),沒有任何已知力量能對抗引力。物質(zhì)會一直坍縮,直到被壓成一個體積為零、密度無窮大的"奇點"。奇點周圍存在一個邊界叫"事件視界",逃逸速度在這里超過光速,任何東西越過這條線就永遠出不來了。這就是黑洞。
![]()
2019年,事件視界望遠鏡團隊發(fā)布了人類第一張黑洞照片:M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞,質(zhì)量約太陽的65億倍。照片上那個被熾熱物質(zhì)光環(huán)包圍的黑暗陰影,就是事件視界的輪廓。2015年,LIGO首次探測到兩個黑洞合并產(chǎn)生的引力波——人類第一次"聽見"黑洞。
![]()
黑洞也不是永恒的。霍金1974年提出,由于量子效應(yīng),黑洞會極其緩慢地"蒸發(fā)"。但這個時間尺度是10的67次方年,遠超宇宙年齡。在我們能想象的未來里,黑洞基本是宇宙中最持久的存在了。
結(jié)語
恒星的三種結(jié)局,本質(zhì)是同一場引力與壓力的較量在不同質(zhì)量下打出的不同結(jié)果。質(zhì)量小,電子簡并壓能頂住,變白矮星。質(zhì)量中等,中子簡并壓能頂住,變中子星。質(zhì)量大,什么都頂不住,變黑洞。1.4倍和2到3倍太陽質(zhì)量這兩條線,是物理定律劃下的硬杠杠,沒有商量余地。
![]()
我們的太陽質(zhì)量遠低于這些極限,命運早就定了。50億年后,太陽系內(nèi)圈會變成一團發(fā)光星云,中心是一顆孤獨的白矮星,慢慢冷卻,慢慢變暗,最終歸于永恒的沉寂。
但知道這一切的我們,此刻正站在一顆普通恒星的黃金年代里,抬頭仰望星空,試圖搞明白那些光芒從哪兒來,又將去往何方。這本身,就已經(jīng)是某種奇跡了。
特別聲明:以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺“網(wǎng)易號”用戶上傳并發(fā)布,本平臺僅提供信息存儲服務(wù)。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.