正在阅读《白矮星和Ia型超新星 恒星的尸体和标准蜡烛》
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在其他章节中,我们聊到了恒星生命尽头的岁月。但是,恒星物质被暴力排出到宇宙,或者在破坏性更大的灾难——超新星爆发之后,还剩下什么?伽马辐射骤然减少、最后一丝氢气云被吹入虚空之后,留下了什么?

典型恒星的命运:白矮星

我们已经在之前不同的章节中暗示了:一颗较轻的恒星——比如太阳——结束生命后,它就变成了白矮星。这颗恒星的外壳——由氢与氦组成的外壳已经被抛射入太空中,恒星的内核也爆炸了。这个核由碳原子与氧原子组成,二者都因为它们自身的重量紧紧地抱在一起。

白矮星的质量往往在太阳质量的一半到比它稍重一些的范围内。不过,它们往往并不比地球大多少。换言之,它们的密度之大非同一般!满满一茶匙的白矮星物质大概和一辆车(而且不是那种节能的轻巧轿车)差不多重。因为它本身如此沉重,所以表面的引力也是巨大的:任何站在白矮星上的人都会瞬间化为齑粉,成为包裹着那颗星球的薄薄的一层。

恒星温暖的核余晖

这种情况发生时,这个人恐怕还会立即惹火上身,因为白矮星上的气温高得很。核聚变的过程停止了,但是白矮星物质从它还是恒星核的时候就积攒下大量的热能,此时这些热能依然存在。热能只会非常缓慢地散去:一颗白矮星的温度通常有几万开尔文,它会在几百万年的岁月里渐渐冷却下来。

白矮星之所以不再继续坍缩,是因为其碳原子和氧原子的电子和原子核都紧紧挨在一起。对此电子起到了关键作用:它们是所谓的费米子。按照泡利不相容原理,两个费米子无法同时处于完全相同的量子态。从某个角度来说,它们就像一个个实心小球:同一空间中只能存在一个这样的小球。补充说明:只要两个电子的速度或自旋不同,它们就可以共处同一空间。可从某个角度来说,速度不同且具有特定能量的各种类型的电子都存在,所以人们不能在同一个地方多塞一个电子。这就是它们彼此分离的原因。这和玻色子不同,比如光子:你想把多少光子堆在一起都行,这根本不成问题。

所以说,让白矮星保持稳定的是量子力学。再具体点说,是泡利不相容原理。这个原理干得漂亮:银河系处处是白矮星——在赫罗图的主序带之下,它们有各自的活动区域。它们通常是灼热的,和普通恒星相比却又十分昏暗。不过,我们还是能看到它们微弱的辉光。离我们最近的白矮星是天狼星B,即A型巨星天狼星A的伴星。它离我们只有大约8.5光年远,几乎和太阳一样重,体积比地球稍小一点,在过去的1亿2千万年中温度已经降到了25000开尔文。

成长中的白矮星:Ia型超新星

银河系中白矮星往往不会单独存在,围绕它的是大量气体、尘埃和星际介质形成的云团。有时候,这个的云团会撞击白矮星;还有的时候,一颗白矮星附近有另一颗正在燃烧的恒星,后者不断通过太阳风、火山爆发等形式向身材矮小的前者抛撒恒星物质。总之,在银河系中,要获得更多物质的法子有上百万种。总有一天,到了一定程度,白矮星积累的物质让它承受了足够压力,使得核聚变再次发生。通常来说,在质量巨大的恒星内部,碳和/或氧会通过核聚变转化为铁,现在这种情况也在白矮星上发生了。突然,白矮星的全部物质一齐发生了核聚变,就像一颗巨大的原子弹爆炸,整个星体都被撕裂了。

接下来,白矮星将放射出比整个银河系都要亮的光芒。因为历史原因,这种特定类型的超新星爆发被称为“Ia型超新星”。有趣的地方在于,这些爆炸看上去大同小异,然而,普通的超新星种类大小各不相同,Ia型超新星却非常特别,因为它爆炸总是消耗一定量的碳与氧。

标准烛光:丈量宇宙的一种方式

这对白矮星来说实属不幸,但对地球上的天文学家来说非常棒!这意味着Ia型超新星可以被用作所谓的“标准烛光”。是这样的,测量宇宙中一个天体离我们有多远实在不容易,要是那个天体在其他星系就更不容易了。我们无法确定该天体光线暗淡是因为它太远了、太小了,还是与我们之间隔着太多的尘埃。我们用天文望远镜望去一片模糊。可因为Ia型超新星的亮度和光谱如此特殊,我们可以轻松识别出它,并借助它来测量其所在星系与我们的距离。

在过去几十年里,大家都在用这个方法精确地测量其他星系与我们的相对位置,主要是测量它们离我们到底有多远。正是这些测量结果让我们了解到,实际上宇宙正在暗能量的神秘力量驱使下加速膨胀。

下一阶段:中子星

在极个别情况下,白矮星最后会只剩下一个铁核。这并非常态,更常见的是,白矮星的质量达到太阳的1.4倍以上,超过了所谓的“钱德拉塞卡极限”:这便是铁核可以达到的最大重量。再重它就无法保持白矮星的形态了,届时电子被压入质子,便转化为了中子。就这样,白矮星变成了一颗中子星,也是一个巨大的原子核。这便是超新星坍缩剩下的东西,即大质量恒星的尸体。

中子星比白矮星更加极端:它的质量是太阳的2~3倍,半径却仅有几公里,对周围的星球来说绝对是地狱般的存在。它也受到泡利不相容原理的约束(没错,中子也是费米子)。中子星的质量不能超过托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限,如果超过了,那么这颗原来的恒星就会使得它周围的空间大幅弯曲,从而开始无法跟上它自身的视界。最后我们就得到了黑洞——任何恒星演变的最终阶段。至少据我们所知目前是这样。

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