星体都有引力,所以我们在地球上跳一下会落回原处。而一直质量足够大并且足够密的恒星会有极其强大的引力。大到什么程度?连光线都无法逃离的太远。因为光线也是在向外逃跑。比如太阳的光线,逃到距离地球足够近才能被我们看到。而一个足够大的恒星的引力场会让光线也不会跑的太远。任何从这里发出的光,在还没到达远处前就会被恒星的引力吸引回来。
假设有这么一颗恒星,质量足够大,那么从这颗恒星上发出的光无法到达我们这里,我们就看不到这些光,但是我们能感受到这些恒星的引力。那么它就是在空间中有黑的空洞,也就是现在所说的黑洞。
在宇宙足够早的时候,气体足够多。大量气体受自身引力影响而不断向自身缩进,缩到一定程度就形成了恒星(气体也是有引力的,只是单个气体分子引力小,足够多气体聚在一起引力也会很大的,坍缩成恒星的气体初始大部分都是氢气)
而在气体收缩的时候,气体原子不断碰撞,越收缩气体原子的碰撞就越频繁。这很容易理解,比如一千人在一个一万平米的空间向中间跑,一开始碰到身边人的机率肯定低,但是如果跑到只有一百平米的空间,那肯定摩肩擦踵不断互相碰撞。
而摩擦生热,气体原子在碰撞中,气体的温度也不断上升。最后,气体变得特别热而聚合为氦,这种反应中释放出大量热而使恒星发光,就像氢弹爆炸,(当热到一定程度,氢原子碰撞的时候不再互相弹开而是聚合成为氦)太阳就是因此而发光的。
而反应中产生的热会使气压升高,升高的气压会对抗恒星的引力。当这种对抗达到一种平衡的时候,气体就会停止收缩。(就跟气球一样,吹起让气球变大,但是橡皮气球往里缩,如果气球足够结实,到一定程度球就平衡在一个大小)
但是这种对抗引力的热是气体(主要是氢气)燃烧产生的,最终这些氢和其他核燃料会被燃烧殆尽。那么,恒星一开始的燃料(可燃性气体)越多,那么就烧的越快。因为质量越大,引力越大,也必须燃烧的足够旺盛才能对抗这些更大的引力。而同理,恒星越热,燃料也烧的越快。
有些特别大的恒星1亿年就会耗尽自身的燃料,而太阳的质量按照燃烧速度大约可以燃烧50多亿年,目前她已经燃烧了46亿年了。
而当恒星耗尽了燃料后,它就会温度逐渐减低,并且开始收缩。最终是否会收缩为一个点科学家之间有不同见解,不过包括爱因斯坦在内大多数科学家认为恒星的体积不会收缩为零。
那么恒星持续收缩会有什么结果呢?
一种情况,随着恒星收缩,因为没有对抗引力的气压,恒星表面引力场逐渐增大,光甚至会产生弯折(所以光也不总是沿直线传播),而引力越大,光偏折越多,往外逃逸就越困难。对远处的观察者(比如人类)而言,光线变得暗淡发红。当恒星收缩到某一临界值时,表面引力场如此之强以致于光线再也逃不出去了。连光都逃不出去,遑论其他了,所有东西都被引力拉走,这样这个恒星的所有东西都不会被观察者看到(爱因斯坦的广义相对论认为没有东西比光更快,观点是否正确有待科学家进一步论证)。而这是颗恒星,它确确实实要占一个区域的,但是这个区域我们永远观测不到,那么这个区域就被我们叫做黑洞。而这恰恰不能被观测的区域的边界被人类叫做“视界”。这个视界就是光恰恰逃逸到的又被拉回的边界。
这就是恒星燃尽后的一种结果:黑洞。
除了黑洞,恒星燃尽还有其他情况。
1928年,一位印度研究生——萨拉马尼安·钱德拉塞卡——算出了在耗尽所有燃料后,多大的恒星仍然可以对抗自己的引力而维持本身。
不是说恒星燃尽没有气压对抗坍缩么?怎么还有恒星可以自身对抗引力?这是因为,当恒星收缩变小时,物质粒子相互靠的很近,靠近过程每个粒子的速度不同,有快有慢,且很多相互排斥,这就会使得它们相互散开并企图使恒星膨胀。因此,恒星还可能因为这种物质粒子之间的排斥而对抗自身引力,进而维持其大小。
钱德拉塞卡计算出,一个质量大约比太阳质量的一倍半还大的冷的恒星(烧尽变冷)的粒子排斥不足以让它对抗本身引力。这个质量被称作“钱德拉塞卡极限”。
如果一颗恒星的质量比钱德拉塞卡极限小,那么他会停止收缩,因为粒子的排斥对抗住了引力,最终停止收缩,变为一种终极状态——“白矮星”。
白矮星的半径为几千英里,密度为每立方英寸几百吨。白矮星之所以能不再收缩,是由它物质中间电子的相互排斥支持的。目前有大量白矮星可以被我们观测到,围绕天狼星转动的那颗是最早被发现的。天狼星是目前可测的最亮的恒星。
这便是恒星燃尽后的第二个终极态——白矮星。
苏联科学家列夫·达维多维奇·朗道指出,恒星还存在另一种可能的终态。有一种恒星燃尽后的质量大约也是太阳质量的一倍或两倍,但是体积甚至比白矮星还小的多。这些恒星是由中子和质子之间的不相容原理排斥支持的,所以叫做中子星(白矮星是电子之间的排斥力支持)。中子星们的半径只有10英里左右,密度为每立方英寸几亿吨。
这是恒星燃尽后的第三个宿命——中子星
那么如果质量比钱德拉塞卡极限大的恒星在燃尽时,无法变为白矮星或中子星,便会不断坍缩。而恒星也会尽量避免自己的坍缩,那么它们会爆炸或者尽量抛出足够的物质,以使自己的质量减少到钱德拉塞卡极限,进而维持住自身。而如果无法达到钱德拉塞卡极限的质量,或者往中子星或白矮星上面加上足够的质量,这些燃烧后的恒星就最终走向第一种情况——黑洞。
这就是太阳燃烧殆尽后的最终宿命——白矮星,中子星,或者黑洞。而那时人类的宿命?燃尽的那一刻,核聚变反应结束,体积迅速膨胀,产生的热量应该会把地球烤焦。
——《时间简史》阅读笔记
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