太阳每秒钟把约420万吨物质转化成能量辐射出去,这场燃烧已经持续了46亿年,还能再烧约50亿年。但终有一天,燃料会耗尽。届时,这颗我们赖以生存的恒星会变成什么?答案取决于一个变量——质量。这个质量决定了宇宙中宇宙中的恒星,都逃不过"三种"结局。
恒星为什么会"死亡"?
一颗恒星说白了就是一团被自身引力束缚的气体。引力无时无刻不在试图把它往中间压,但核聚变产生的辐射压在往外顶——两股力量较着劲,恒星就这么稳稳地挂在那儿发光发热。
太阳核心温度约1500万开尔文,氢原子核在这里融合成氦,损失约0.7%的质量转化为能量。这场拔河可以持续很久,但氢是有限的。
当核心的氢耗尽,辐射压下降,引力开始占上风,核心被压缩升温。如果恒星够重,还能点燃氦聚变,把氦变成碳和氧,然后继续烧下去:碳变成氖,氧变成硅,最后硅变成铁。
但铁是终点。铁的聚变不释放能量,反而吸收能量。烧到铁,炉子就彻底熄火了。接下来发生什么,完全取决于这颗恒星有多重。
第一种结局:变成白矮星
对于像太阳这样的中小质量恒星,死亡其实挺平静的。
当太阳核心的氢燃尽,外层会膨胀成"红巨星",体积涨到现在的100多倍,直接把水星金星吞进肚子。地球就算不被吞,也会被烤成熔岩海洋。红巨星阶段会持续约10亿年,期间太阳会把外层物质抛洒出去,形成美丽的"行星状星云"。
外层抛完,剩下的就是白矮星——恒星的"骨灰"。它体积只有地球那么大,质量却有太阳的一半左右。一茶匙白矮星物质重约5到10吨,差不多一辆卡车的重量被压成一颗糖。这种密度靠的是"电子简并压",一种量子效应产生的压力,刚好能顶住引力。
但电子简并压有个天花板。1930年代,天体物理学家钱德拉塞卡算出,当白矮星质量超过太阳的1.4倍时,电子简并压就扛不住了。这就是著名的"钱德拉塞卡极限"。
白矮星不再进行核聚变,只靠残余热量慢慢发光,花几十亿年冷却,最终变成彻底不发光的"黑矮星"。不过宇宙才138亿岁,还没有任何白矮星有足够时间冷透,所以黑矮星目前只存在于理论中。
而我们的太阳就注定走白矮星这条路:膨胀、抛壳、冷却、熄灭。
第二种结局:变成中子星
如果恒星质量是太阳的8到25倍左右,死法就完全是另一个画风,暴烈、壮观、惊天动地。
大质量恒星烧得猛,死得也早。一颗20倍太阳质量的恒星,寿命可能只有几百万年。当它烧到铁核时,灾难在几秒内降临:铁核没法聚变,辐射压瞬间消失,引力把直径几千公里的核心在不到一秒内压成直径只有20到30公里的球。
这个过程剧烈到连原子都被摧毁。电子被压进质子变成中子,核心变成一团纯中子物质,密度达到每立方厘米约1亿到10亿吨。这就是我们常说的中子星,一茶匙中子星物质重约10亿吨,相当于整座珠穆朗玛峰被压成一颗糖。
还有,当向内坍缩的物质撞上由中子简并压构成的“硬地板”时,会像皮球砸向地面一样被猛然刹住并剧烈反弹,产生的反弹冲击波把外层物质以每秒上万公里的速度炸飞,这就是"II型超新星爆发"。超新星亮度可以超过整个星系几千亿颗恒星的总和。
1987年,大麦哲伦星云中的超新星SN 1987A在16.8万光年外爆发,肉眼可见,还被地下探测器捕捉到了中微子信号,直接证实了理论预测。
爆炸后留下的中子星会疯狂自转,最快的每秒转700多圈,磁场强度达地球的上万亿倍。如果磁轴和自转轴不重合,它会像灯塔一样扫射电磁辐射,这就是"脉冲星"。1967年首次发现脉冲星时,信号太规律了,研究团队一度以为是外星人在发电报,还给它起名叫"小绿人1号"。
然而中子星也有质量上限,大约是2到3倍太阳质量。超过这条线,连中子简并压也扛不住,物质会继续坍缩,走向最极端的结局。
第三种结局:变成黑洞
对于质量超过太阳25倍左右的恒星,连中子都救不了它们。
当核心坍缩后质量超过"奥本海默-沃尔科夫极限"(约2到3倍太阳质量),没有任何已知力量能对抗引力。物质会一直坍缩,直到被压成一个体积为零、密度无穷大的"奇点"。奇点周围存在一个边界叫"事件视界",逃逸速度在这里超过光速,任何东西越过这条线就永远出不来了。这就是黑洞。
2019年,事件视界望远镜团队发布了人类第一张黑洞照片:M87星系中心的超大质量黑洞,质量约太阳的65亿倍。照片上那个被炽热物质光环包围的黑暗阴影,就是事件视界的轮廓。2015年,LIGO首次探测到两个黑洞合并产生的引力波——人类第一次"听见"黑洞。
黑洞也不是永恒的。霍金1974年提出,由于量子效应,黑洞会极其缓慢地"蒸发"。但这个时间尺度是10的67次方年,远超宇宙年龄。在我们能想象的未来里,黑洞基本是宇宙中最持久的存在了。
结语
恒星的三种结局,本质是同一场引力与压力的较量在不同质量下打出的不同结果。质量小,电子简并压能顶住,变白矮星。质量中等,中子简并压能顶住,变中子星。质量大,什么都顶不住,变黑洞。1.4倍和2到3倍太阳质量这两条线,是物理定律划下的硬杠杠,没有商量余地。
我们的太阳质量远低于这些极限,命运早就定了。50亿年后,太阳系内圈会变成一团发光星云,中心是一颗孤独的白矮星,慢慢冷却,慢慢变暗,最终归于永恒的沉寂。
但知道这一切的我们,此刻正站在一颗普通恒星的黄金年代里,抬头仰望星空,试图搞明白那些光芒从哪儿来,又将去往何方。这本身,就已经是某种奇迹了。
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