解读恒星的死亡之旅,大质量恒星是如何走向体积无限小的奇点的?
万有引力,伟大的物理学家牛顿在三百多年前就提出来了。你我之所以能安稳地站在地球上,就是因为万有引力的存在,否则你我早就不知道飞向哪里了。
但是,你有没有深入思考过这样的问题:引力与质量成正比,地球质量很大,引力自然也很大,那么地球为什么没有把自己压扁呢?地球物质为什么没有在引力的作用下一直坍缩到核心呢?
你可能会认为这个问题很无聊,但是对于科学家们来讲,没有任何问题是无聊的,很多时候,他们就是在一些看似无聊的问题中发现了宇宙奥秘。
那么,地球为什么没有一直坍缩到核心呢?因为地球质量还不够大,引力不够大。让我们先从我们的太阳说起。
太阳的质量在太阳系拥有绝对的统治力,占了整个太阳系质量的99.86%,质量达到地球质量的33万倍。
如此大的质量,太阳为什么没有坍缩到核心呢?当然你也可以说质量也不够大,不过主要原因还在于两种力量达到了近乎完美的平衡,这两种力量分别是:核聚变产生的外推力,还有太阳自身的引力。
引力试图把太阳物质拉拽到核心,而核聚变产生的力量不断把太阳物质向外推,在彼此较量的过程中,这两种力量达成“妥协”,保持了非常微妙的平衡。
正是在这种平衡状态下,太阳才可以一直燃烧数十亿年之久。
但是,随着太阳氢燃料的不断减少,这种微妙的平衡也会被慢慢打破。如今太阳每秒消耗大约400万吨氢,这个质量看起来很大,但与太阳质量相比,仍旧是九牛一毛。不过时间会改变一切,最终氢燃料也会耗尽。
科学家们估算结果表明,我们的太阳在大约50亿年之后,就会因为氢燃料耗尽而走向死亡。不过,太阳的死亡过程并不是瞬间完成的,而是一个相当漫长的过程。
在氢燃料不断减少的过程中,万有引力在与核聚变对抗的过程中会逐渐占据上风。氢燃料耗尽之后,氦还会继续聚变下去,接着是碳,氧。不过太阳核心的核聚变并不能一直聚变下去,因为太阳质量相对来说还比较小,聚变到氧就戛然而止了。
在这个过程中,太阳首先会逐渐膨胀为红巨星,体积急剧膨胀,能达到如今太阳的1000倍以上,直接膨胀到水星和金星轨道把两者完全吞噬。
漫长时间之后,红巨星的强度会逐渐下降,最终只剩下致密的内核,演变为一颗白矮星。太阳演变成的白矮星大小只相当于地球大小,仍旧会发出微弱的光芒。
白矮星密度很大,每立方米能达到100万吨左右。如此大的密度,为什么白矮星没有继续向内坍缩呢?
因为质量还不够大,还没有达到“钱德拉塞卡极限”。我们的太阳相对来讲属于质量较小的恒星。如果恒星质量达到1.4倍太阳质量或者以上,引力如此之大,即便是原子外层的电子也会在引力作用下被压缩到原子核上,这其实就是“电子简并”。
而由于泡利不相容原理,两个微观粒子不能位于相同的量子态,所以电子之间会产生强大的斥力,被称为“电子简并压”,用于对抗恒星强大的引力。
不过一旦恒星质量达到1.4倍太阳质量,电子简并压也对抗不了引力,电子就会被硬生生地压缩到原子核上,与质子结合,形成中子,这也是中子星的由来。而1.4倍太阳质量就是钱德拉塞卡极限。
中子星密度更是高得惊人,每立方厘米就可以达到上亿吨!
如果恒星质量变得更大,来到太阳质量的3倍以上,这个质量就是“奥本海默”极限,这种大质量恒星死亡之后会无限向内坍缩,最终就会坍缩为宇宙中最恐怖的天体,黑洞!
黑洞的密度是多少呢?不知道,或者说无穷大。但是,物理学向来是描述具体有限的事物,无穷显然已经脱离了科学范畴。
如今科学对黑洞的描述是这样的,大质量恒星死亡之后的物质都被压缩到一个体积无限小的奇点,黑洞其实就是奇点。体积无限小,密度自然就无限大了。而平时我们所说的黑洞体积,其实指的是黑洞事件视界的体积大小。
也就是说,如今我们已知的大自然法则在奇点面前全部失效。说白了,黑洞就是脱离宇宙时空的存在,这也是为什么科学家们坚信黑洞很可能暗藏着宇宙终极奥秘,甚至是宇宙的本原!
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