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太阳之死:太阳燃烧殆尽之后会怎样?会变成一个黑洞么?

太阳之死:太阳燃烧殆尽之后会怎样?会变成一个黑洞么?

作者: 长尾科技 | 来源:发表于2018-09-01 21:55 被阅读33次

    我们在地球上使用的各种能量,不管是电、煤、石油、天然气,还是自己吃到肚子里的面包牛奶,除了核能、地热等少数能量以外,其他的基本上都来自太阳。

     

    太阳是一颗黄矮星,寿命大概在100亿年(现在的年龄是45.7亿年),差不多处于青壮年。也就是说,再过50多亿年,太阳的燃料就会燃烧殆尽,寿终正寝。不知道大家有没有想过这样的问题:太阳燃烧殆尽之后会发生什么?

     或者我们先问这样一个问题:太阳是靠什么保持现在这样的“身材”的?

     

    太阳何以保持现在状态?

    我们先来看一下太阳的基本数据:太阳的质量是地球的33万倍,体积是地球的130万倍,它质量的四分之三都是氢,剩下的基本上都是氦。

     

    太阳燃烧能量的来自于氢-氦的热核反应,其实就是核聚变,跟氢弹爆炸产生能量的方式是一样的。也就是说,太阳通过源源不断的氢弹爆炸给太阳系提供能量。

     

    太阳的质量这么大,那么它们之间的引力也是非常大的。太阳现在之所以没有被它们之间的引力压缩,是因为现在太阳还很热,这种热压力能够平衡引力。想象一个热气球,把气球里面的气体用火加热之后,它就能产生一股由里而外的热压力把气球撑起来。

     

    我们在回顾一下中学的物理,热现象的本质是什么?热无非是分子原子这些基本粒子做无规则运动的一种表现,温度越高,粒子做无规则运动越剧烈,产生的热压力也就越大

     

    也就是说,目前太阳是靠分子原子这种基本粒子的无规则运动来顶住引力的。

     

    那么太阳燃烧完了以后呢?没有燃料了,太阳的温度肯定就降下来了,温度降下来了热压力肯定也就想对应的减小了,那么这时候热压力就会比引力小,那么太阳肯定要在引力的作用下开始被压缩,也就是坍缩。

     

    但问题的关键是:坍缩到何时是个头

     

    坍缩的过程

    我们回顾一下物质的组成:分子由多个原子组成,原子由原子核和绕原子核的运动的电子组成,原子核由质子和中子组成,质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成

     

    当恒星的燃料燃烧完了之后,分子原子的运动速度越来越慢,这时候在分子原子这一层是没有什么力量能够对抗引力的了,这时候我们必须把眼光放到下一层来:原子核和电子。

     

    原子由原子核和核外电子组成,如果原子是一个足球场,那么原子核就相当于一只蚂蚁,但是原子核这只蚂蚁却占了原子99.96%以上的质量,所以原子核外面其实是很空的。

     

    强大的引力继续压缩,这时候就会影响电子的正常运动范围了。引力迫使电子慢慢像原子核聚集,随着引力的增大,电子可以活动的范围越来越小,这种小会无限的小下去么?

     

    电子简并压力

    我们都知道波粒二象性是微观粒子的基本属性,电子当然也是这样。当引力很大,电子不得不在很小的范围内运动的时候,从波的属性来看,当电子被限制在非常小的空间里运动的时候,电子的波长一定是很短的,波长短意味着能量高,能量高意味着快速的运动。

     

    电子的这种高速不规则运动会产生一种新的抵抗引力的压力,物理学家们称这种压力为简并压力,由电子产生就叫电子简并压力。

     

    于是,在恒星没有燃料坍缩的过程中,如果这种电子简并压力能够顶住引力,那么这个恒星就可以重新达到一种平动态的平衡,从而使恒星处于一种新的稳定状态。

     

    这样的恒星我们称之为白矮星

     

    但是,如果恒星的质量太大,引力太大,电子简并压力顶不住怎么办

     

    中子星

    当引力大于电子简并压力的时候,电子顶不住那就没办法了,只能继续进一步被压缩,那能压缩到哪里去呢?电子是围绕原子核做高速运动,如果电子顶不住,那电子就只能被压缩到原子核里面去了。

     

    原子核由质子和中子组成,其中质子带正电,中子不带点,而我们都知道电子是带负电的。那么,电子被压到原子核里面以后会发生什么呢?

     

    一个很自然的想法:质子带正电,电子带负电,而原子整体不带电,那么质子和电子的电量肯定是相同的。那么,带正电的质子和带负电的电子会不会结合起来然后就呈中性了

     

    你别说,答案还真是这样的,电子被压入原子核以后,就和质子结合形成了中子。而中子是不带电的,这样一来,原子内部再没有质子没有电子,全部变成了中子。

     

    然后你就看到我们的恒星变成了一堆中子。

     

    跟电子简并压力原理一样,这么一大堆中子被压缩在一起,肯定会形成压力更大的中子简并压力。如果这种中子简并压力能够顶住坍缩的引力,那么恒星又会再一次处于一种稳定状态,那么这样的星体就叫中子星

     

    同样的,我们还是要继续问一个问题:如果引力实在太大,连中子简并压力都顶不住怎么办

     

    是否有夸克星?

    按照我们上面的思路,中子如果顶不住,那么肯定就必须进入下一层。

     

    中子是由夸克组成的,具体来说是两个下夸克和一个上夸克。如果中子简并压力依然顶不住引力,可以想象,中子应该会被压碎,最后全部变成一堆夸克,那么这个恒星看起来就像是一堆夸克组成的。

     

    然后我们似乎可以称这种星体为夸克星,夸克之间的简并压力顶住引力从而达到平衡。

     

    再然后,吃瓜群众似乎还会继续问:如果夸克简并压力依然顶不住引力怎么办?会不会把夸克压碎再进入下一层

     

    当然,你确实可以这样问,但是不一定有人能给出答案。白矮星和中子星是天文学家实际观测到了,夸克星还只是一个猜想,没有被真是的观测到,到底有没有夸克星我们现在也不得而知,那夸克星更下一层的我们就更加不知道了

     

    有没有夸克简并压力跟引力平衡从而形成的夸克星我们不知道,但是我们知道:任何简并压力(不管是电子、中子还是未知的夸克或者再下层的)都顶不住引力的星体是存在的

     

    黑洞

    如果一个星体,因为质量太大引力太大,结果使得任何简并压力都无法顶住它的引力,这回是怎样一种情况呢?这个恒星会变成什么样子呢?

     

    我相信很多人都能想象这个画面,既然任何简并压力都顶不住压力,那么恒星会把电子入原子核,再把中子压碎,再把夸克压碎,再把一切的一切都压碎,这种东西会是什么呢?

     

    相信有两个字在很多人的嘴里已经呼之欲出了,没错,这种引力碾压一切简并压力的星体就是黑洞。

     

    从文章的开始走到现在,相信大家心里都有一个概念了。不同质量的恒星引力不一样,然后就重点看那一个层面的简并压力能够顶住这个引力,电子简并压力能够顶住引力就成了白矮星,中子简并压力才能顶住引力的就成了中子星,啥简并压力都顶不住引力的就变成了黑洞

     

    太阳的终极命运

    再回到最开始的问题,按照这样的分析,我们太阳的最终命运会是怎样的呢?

     

    下图给出了一副不同质量恒星的坍缩图,白色部分表示引力超过压力,阴影部分表示压力超过引力。


    很显然,不管是引力大于压力还是压力大于引力,这都是不稳定的状态,恒星要最终稳定在一个状态,必须是引力和压力相同。而引力和压力相同的点就都在那条曲线上,也就是说,只有曲线上的点才是稳定的。

     

    所以我们看到,太阳对应的是白矮星的曲线,也就是说:太阳的燃料燃烧殆尽之后,会变成一颗白矮星


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