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[原创]星辰之死丨混乱博物馆

混乱博物馆  · 公众号  · 2018-10-27 21:52

我们总是专注于地上的一切,却忘了大地也只是星辰之海中寻常的一颗微粒——在往期节目里,我们已经了解过星辰的繁衍与归宿,而在这一期里,我们将看到星辰的生命如何终结:垂暮的恒星将如何死亡。

是的,恒星的“恒”仅仅是相对人类须臾短暂的寿命而言,在这个宇宙漫长的光阴中,它们也终将消亡,而不同的恒星就将走向不同的尽头,其中最关键的决定因素,就是它们的质量。

而人类的文明有幸见证过了许多辉煌的瞬间。


-文字稿-

太阳已经熊熊燃烧了45.7亿年,正演化在主序带上,相当于人生的壮年,每秒钟都有超过400吨的静质量通过质子-质子链反应转化为电磁辐射和中微子释放出来,给我们带来辉煌的光和热,而这样的光阴还将持续50亿年左右。

到那时,太阳终于耗竭了核心的氢元素,开始在重力下收缩,结果收缩带来的巨大能量点燃了核心的氦元素,以更高的核心温度反过来又点燃了外层的氢元素,吹胀了整个恒星,半径扩大200多倍,成为一颗衰老的红巨星——最终在激烈的氦闪之后释放出匹敌其余整个银河的能量,外层物质最终将被吹散成一个行星状星云,而残留的内核就成为一个炽热的白矮星。

白矮星大多由核心氦聚变产生的碳和氧构成,但完全不同我们熟悉的常规物质:常规物质中的原子和原子,电子和原子核,彼此之间都有开阔的距离,尤其原子核以千亿分之一的体积占据了整个原子99.95%以上的质量——但是在白矮星中,巨大的引力带来了巨大的压力,原子的电子壳层被压得粉碎,原子核与自由电子紧紧地堆在一起,靠电子的泡利不相容产生的简并压力维持着体积,这因此称为电子简并态,密度达到每立方米数千万吨。

所有质量小于8倍太阳的恒星都将发展为不同成分的白矮星,但那些有伴星的白矮星还有一线转机:它的伴星迟早也会踏上衰老膨胀的道路,那些不断抛出的外层物质就可能穿过拉格朗日点进入白矮星的引力范围,进而被白矮星吸收,使白矮星的质量越来越大,直到1.44倍太阳质量,那么就连简并压力也不再能够抵挡巨大的重力了,这被称为钱德拉塞卡极限——在这个瞬间,白矮星中的碳原子核与氧原子核将被彻底挤碎,在一瞬间发生全面的碳聚变,白矮星被炸得粉身碎骨,抛射出的物质将以6%的光速横扫周围的一切,在短短几秒钟之内释放的能量超过太阳10亿年的光辉的总和,在那一瞬间的亮度比可以达到一个星系的数千倍。

这样壮丽的景象就被称为Ia型超新星爆炸,Ia型超新星爆炸之后往往会留下一种独特的超新星遗迹,外层是红巨星爆炸时留下的光滑的壳层,内层则是超新星爆炸留下的张牙舞爪的抛射物质。近代天文学家开普勒和第谷都目击过这样的超新星爆发,我们在今天也找到了它们的遗迹。

与Ia型超新星相对的,是核心坍缩型超新星——那些初始质量超过8倍太阳的巨大恒星将有更高的核心温度,氢耗尽之后就启动氦聚变,氦耗尽之后就启动碳聚变,碳耗尽就启动氖聚变,再启动氧聚变,镁聚变、硅聚变,层层嵌套,好像洋葱。

硅聚变最终产物是铁,而铁原子核拥有周期表上最高的核结合能,即使聚变也不再释放能量,只能在巨大的压力下像白矮星一样靠电子的简并压力维持体积——那么同样,当铁核的质量超过了钱德拉塞卡极限,就将开始不可阻挡的坍缩,核心外围的物质将以23%的光速猛烈撞向铁核,电子被挤进原子核,与质子结合成中子,而中子拥有更强的简并压力,常常可以抵挡外层物质的猛烈冲击,于是以巨大的激波将外层物质反弹回去,形成了规模空前的巨大爆炸,一瞬间的亮度可达整个星系的数十万倍以上。

我们此前讲述过的“蟹状星云”,就是这样一个超新星遗迹:它源自北宋至和元年,1054年,中国人观察到的一颗天关客星,这颗6500光年外巨大恒星有9到11倍太阳质量,爆发时比日月之外的一切天体都要明亮;如今的蟹状星云直径达到11光年,还带有明显的瑞丽泰勒不稳定,中心是一颗年轻的脉冲星。

所谓脉冲星,是超新星爆炸后仍以中子简并压力维持体积的残留核心,亦即中子星——刚刚形成的中子星通常具有极强的磁场,它们将带着高速旋转吸积盘从磁极释放电磁辐射,如果电磁辐射间歇性地扫过地球,就称为脉冲星,而那些质量超过3倍太阳的核心残骸,连中子的简并压力也无法抵挡重力,就将坍缩成一个黑洞。

最后,那些孤独的白矮星、中子星乃至黑洞,这些恒星最后的遗骸,将在超过宇宙寿命的漫长光阴中逐渐冷却蒸发,那就是一个无法讲完的故事了。

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