更广义的燃烧,是指剧烈的发光发热反应,这里不只是化学燃烧,比如太阳的发光发热就不是化学反应,而是氢元素聚变为氦元素的反应,属于核反应,但是我们也可以说是氢元素燃烧成了氦元素。和化学燃烧不同的是,化学燃烧在化学层面遵循质量守恒原理,但是核反应当中的发光发热,就不再遵循质量守恒了,而是遵循质能p o 2 R W )守恒。1 R y } R : q
宇宙中的恒星都可以是以描述太阳的方式形成,也f r : m F v ? z就是说,由一大团非常巨大的气体云和极小一部W / & j m C * f A分的尘埃(小的固体粒子)由重力! Q ` @ q坍缩而成。大气体云的直径有几光年,质量足[ W : - G w C以产生比太阳大得多的恒星。
一颗新诞生的热原恒星从引力坍缩中获得能量。当核聚变开始时,它与主序的结合位置取决于它的亮度和温度。比如一颗零年龄的主序恒星。主序星上的恒星已经在它们的能量产生率- = { i B G和能量发射率之间达到了稳定的平衡,并且不再在重力作用下坍缩。但是7 9 ` & ? e s ! F一颗恒星保持稳定并保持在主序列上需要多长C ` . 2 J N时间呢?
对于主序上的恒星,光度L与质量的三次方近似成正比:L ∝ M3。大致来说,一颗恒星的寿命t与它的质量平方成反比:t ∝ 1/M2
因此,质量是太阳两倍的恒星应该有四分之一的寿命。最巨大的恒星可能有50个太% L , V阳质量6 L 9,预期寿命只有太阳的1/2500。另一方面,一颗太阳质量为0.1的恒星的寿命将是太阳质量的100倍。
一颗太阳大小的小恒星的死亡。
当主序恒星最终耗尽其主要核燃料氢时,接下来会发生什么取决于核心的压力和温& D Q k [ } y M e度。又取决于恒星的质量。氢聚变首先在中心核心停止,然后开始冷却。n } h b d ] K s !但是核心周围是s C c d | L e一% t S _ Z | Q k个富含氢的球形外壳,在那里仍X $ b P然会发生核聚变。随着内核冷却,其压力降低,重力赢得了让一切坍缩的漫长战斗。热氢聚变壳层向内下降,并随着重力势能的损失而进一步升温。
随着坍缩壳内8 Q @ F E的核聚变速度加快,释放出更强的辐射,因此恒星的下一层实际上变得更热。这是对流区,它会随着温度的升高而膨胀。事实上,它膨胀得如此之大以至于它的外表面,温度降低形成一颗大光球,在这一点上,; : i H P像太阳这样的恒星会膨胀到最远到达地球的轨道。
当光球的温度达到3000度,表面积的增加意味着更多的能量被释放出来,恒星变得更加明亮——它的亮度增加了一千倍。这颗恒星是一颗红巨星。红巨星在地核仍在引力作用下坍塌,温度仍在上升。它的密度也很大,所有的粒子都非常接近。大部分氢都用完了,剩下氦和电子。当核心足够热时,另一个核聚变过程就开始了:氦通过三重阿+ Q 3 $ -尔法过程转化为碳。两个氦-4核首先结合形成铍-8;然后它和另j y . H K %一个氦-4原子核结合形成碳-12。
超致密核心中的这一新6 v X x的能量产生过程开始得非常快,只需几分钟,并且可能产生足够的能量来加, P u $ G W Q &热富含氦的邻近层。这可能会引发爆炸反应,红巨星下一层的物质可能会被炸开——持续几十年的“超级& @ 5 $风”。然后,当它冷却时,恒星再次稳定下来。每隔几千年,这种“氦闪”就会再次出现。像这样的恒星看起来{ ! c是脉动的,它的大小和亮度会随着时间的推移而变化。当红巨星喷射出足够多的物质,使得炽热的超密核心裸露在视野中时,行星状星云就形成了。它照亮了环绕它的膨胀的气体外壳。
比太阳质量更大的恒星可以继续产生更重的原子核并获得能量。例如,一个碳-12原子@ ! q核可以与一个质子结合,生成氮的同位素,开始一个序列,这个序列又经过氧9 t 0 y ? 8 h-15回到碳-12,然后是氦原子核。又有四个氢原子核参与其中,在氦-4中变成两个中子和两个r ] J h l U质子。比太阳热的恒星的主要能量来源。随着恒星年- 5 x i ? ] N Z )龄的增长,可能会发生W ? C c + P R进一步的产能反@ 1 9 } w应,导致像铁一样大的原子核的D [ T H Z ) ^形成。使原子核比铁重吸收能量;较重的原子核是在超新星爆炸中形成的。比如一颗由五个太阳质量组成的主序恒星是一颗明亮的恒星,不仅比太阳大1 3 A f 2 | + f n,而且表面温度超过20 000度。它通过将氢转化为氦来获得能量,但其过程比简单的质子-质子链~ 9 ^ @ ] q 6要快。它核心的温度+ b D - r D是太阳的两倍多——大约3.4 10⁷K.这样一颗恒星每秒发射的能量是太阳的500倍,如上所述,它在主序上的时间会更短。在这个阶段,它的寿命只有4亿年,相比之下,太阳的寿命有100亿年。
一旦核z p [ ! v ^心被转化成氦,再重力作用下它就会收缩,氢就会向内沉降,在静止的核周围形成一个燃烧氢的外壳。这会产生了大量| ; P { * O +的能量,但是恒星的外壳会膨胀,所以发出的能量会扩散到更大的区域。因此,表面温度实际上降低/ ` W 8 J F I V |了,恒星没有变得比以前更亮,而是变得更暗,即将成为一颗红巨星。
当核心中的氦全部转化为碳时,它就停止产生能量。但在地核周围的外壳中,燃? D , ~烧可能会继续,它会再次变成一颗红巨星。燃烧的外壳可能提供足够的能量来吹走较冷的外壳,恒星就会变得更亮。接下来发生的事情有两种可能性:q } ~ 6
Q1、要么是退化的黑矮星., # o A.....
这颗恒星在恒星风的作用( u k ~下继续失去质量,静静地变成了一颗白矮星,完全由碳构成,大约是恒星质量的1.3_ N ~ e ` T # = i到1.. 9 z5倍太阳的质量。有了这个质量,核心中的粒子就会变得如此紧密,以至于引力无法使恒星变得更小。1 } $ R在这种状态下~ q { C,电子简并压发挥作用(粒子具有排他性)。引力收缩没有能量。地核逐渐冷却,最终形成一颗黑色的矮星。
Q2、....…或者超新星?
或者b t c q A H ) R 8,恒星可能仍然足够大,其外层不会退化。恒星仍然可以从重力收缩中获得能量,因此碳核可以变得足够热,以使碳燃烧发生。核心实际上是固体碳,原子核和电子非常接近。
在大约1.4个太阳质量的整个核心上,碳核几乎瞬间转化为更大的核。几毫秒内释放的能量是巨大的:能量发射的速度相当于一个由一百亿颗恒星组成的星系发射的能量。天空中出现了一颗非常明亮的新星超C + & e (新星。这是一个ⅠA型超新星。? _ v ( u这种情况只有在质量相当低的恒星处于双星系统中时才有可能发生,在双星系统中,恒星可以通过吸积获得额外的可爆炸质量。恒星的所有外层都u N ;以非常高的速度喷出——最高10⁷毫秒。超新星在大约40天后达到可见性的顶峰,此时热物G ? / z l质已经膨胀到太阳系的大小。
所d C _ Z J L }有的恒星其实都逃不过三种结局:Z M % B c质量小的恒星会变成“白矮星”;质量稍微大一点的恒星,会变成“中子星”;如果质量再大一点的恒星,就n - n ( B T % `会坍缩成为“黑洞”。距离我们人类最近的恒星太阳,就属于质量比较小的恒星,它在50亿年左右之后,也会变成白矮星。恒星的生命周期是一个不断演化的过程。它首先是大爆炸产生的星云,在引力的作用下凝聚成为大小不等的恒星,之后进入一段很长时期的燃烧状态,也就是我们现在看到的太阳的状态。而恒星h P ` # 4 U在燃烧了一段岁月之后,内部的热核聚变反应结束,它就会慢慢膨胀成一颗巨大的红巨星。
红巨星的膨胀出% t ? q的外部,是类似星云的燃烧物质,而反应生成的碳W B 1 | 5 s u、氧等等物质,就会在红巨星的内部F 5 + K V - Z S聚集成为“白矮星”。直到外部所有的z k U o m I +燃烧物质反应完毕,消散在宇宙当中,就只剩下了体积极小,密度极大的白矮k @ b ; . P星。白矮星再经过无数年的冷却,最后会变成黑矮星,然后静静地躺在宇宙当中,等着宇宙的尽头。
但是不是所有的红巨星都能够这样变成白矮星。有些质量很大的红巨星,甚至会发生红巨星爆炸,形成超新星。超新星爆炸同样会释放出巨大的能量,倾泻到宇w f ! $ E宙当中。而在超新星的内部,反应生成的碳氧等等元素会u Y ] S a I S l C继续发c ) { . ` 5生反应,甚至连硅元素都会发生聚变反应,直到最后56个质子和中子紧紧地聚集在一起,形成了铁元素,整个中子星就是一块巨大的磁铁。而如果红巨星的质量大到了一定的程度。在经过了超新星爆炸之8 2 x t ~ * D后,它的内部就会坍缩成为黑洞。恒星在变成了黑洞之后,会吸收掉周围所有在“史瓦西半径”内的物质,包括宇宙中速度最快的光,也难以幸免。
恒星外层物质触核反弹,引起灾难性的大爆炸:这就是超新星的可见部分了。质量比10个太阳加起来更大的恒星们则有着截然不同的命运。这些恒星的外层剧烈坍缩如天崩地裂,坠落物质带来的压力大到即便是中子星处于其中都自身难保。实际上^ D ~ k o,没有什么作用力强大到可以与这样的坍缩抗衡:于是这一类超新星创造出了黑洞,也就是一o r j q ] b L片的极小极致密的时空区域,连光都逃不出它的魔爪。即使是由单一恒星形成的超新星,它在达到最高光度的时候也很可能比整个星系还0 i I ( x O M M要亮。
宇宙中的轮回
宇宙中几乎所有比氢和氦重的元素都是产生于活着的恒星中心,或者产生于标志着更大恒星死亡的超新星爆发了。超新星将新合成的物质抛撒向它周围的星际空间;这些物质作2 Y Q z ! q l为原料R ` k 4 q将C K 9孕育出新一代不计其数的恒星,
让新一轮循环开启。我们认为太阳上的重元素就是这么来的。同理,地球上所有(包括人体内!)的重元素也一定是这V ~ t x 7 [ 8 -么来的,因为太阳系的行星都形成于环绕在原太阳周围吸积盘的残余物质。归根到底,我们都是A R | n f f t ; 7星尘呀!
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