恒星并不“永恒”,当他们的生命走到尽头时,会有什么样的奇观?

恒星的分类

虽然我们把会发光的天体叫做恒星,但同样都是恒星,实际上恒星之间差别也很大。比如:体积最大的是盾牌座UY,如果把太阳放到它边上,可能也就是个像素点,直径接近太阳的2000倍。

再比如:质量最大的R136 a1,大概是351倍的太阳质量。

因此,恒星并不能用统一标准对待。于是,科学家对恒星进行了分类,在大规模的统计中,得到了一张大名鼎鼎的赫罗图。从左上到右下对角线上有一条带状,就是主序星带。

我们大致可以下这样的结论,那就是恒星的质量大概在0.08个太阳质量到350个太阳质量之间。在宇宙中是质量为王的,也就是说,恒星最后的宿命其实和质量是高度相关的。那么,恒星都有哪些终局呢?今天,我们就来聊一聊:

红矮星

红矮星大概在0.08个太阳质量~0.5个太阳质量,由于质量不大,引力也就不够大,内核的温度也不会非常高,因此,核聚变反应会非常温和。按照目前的理论,红矮星的寿命会非常非常长,可以达到千亿年。


当核心的氢烧完之后,核心的温度并没有办法点燃氦的核聚变,因此只能慢慢等着熄灭,红矮星到了晚期会越来越暗,最后变成一颗黑矮星。

这里多补充一句,红矮星的演化其实还是一个“谜”,这是因为我们只有理论,而没办法实际观测到。主要是红矮星的寿命很长,而宇宙到目前也不过138亿年,因此宇宙目前还没有出现过红矮星的死亡。

小质量恒星

这类恒星质量大概在0.5个太阳质量~3个太阳质量,太阳就属于这个区间的。

同样的,当氢逐渐烧完之后,核心会迅速收缩,引力势能转化为热能,于是恒星核心的温度会快速上升,同时核心周围的物质也会被推开,所以,这类恒星都会膨胀得很大,太阳到达这个时期时,直径要夸大200倍左右,体积可以达到地球轨道附近,称为一颗红巨星。

当恒星核心温度达到1亿度,这时候氦也会被点燃氦-4会新聚变成铍-8,。但由于铍核特别不温度,导致铍-还会裂变成2个氦-4,不过同时还会发生氦-4和铍-8的反应生成碳-12,氦-4还会继续和碳-12生成氧-16。


当氦也烧完之后了,此恒星就会剩下一堆碳和氧,引力会让核心一步步收缩,但温度还不足以点燃碳和氧的核聚变。收缩产生的内能会迫使靠近核心的壳层中的氦继续核聚变。于是,壳层会膨胀开来,逐渐和核心脱离,弥漫在整个星际空间当中成为行星状星云。

随着燃料地慢慢耗尽,星云就无法被照亮了,于是,会逐渐暗淡下去,整个过程大概也就5万年左右。这是壳层的情况,我们再来看看内核,内核一直在对抗引力,最终电子简并力和引力形成了新的平衡,就会成为一颗白矮星。


至于电子简并力,指的是电子按照泡利不相容原理,需要按照一定的规则排排坐,不可以有相同的状态,因此,这种量子效应会产生类似于力的作用,用以抵抗引力对内核的作用。

中等质量恒星

中等质量的恒星通常指的是质量为3到8倍太阳质量的恒星,这类恒星和上面讲到两类恒星是一样的,一开始也要经历氢的核聚变,然后紧接着是氦的核聚变。小质量恒星基本上就停在了氦核聚变,而中等质量的恒星还可以继续收缩,此时内核温度可以达到8亿度,这就可以把碳点燃,生成镁、硅、磷、硫等元素原子核。


不过,碳发生核聚变反应的速度特别快,连一秒钟都不到就会把所有的碳都给烧完了,所以,它并不是像前面的那些情况那样温和地烧,而是一下子全炸了,外壳都会被炸开,这也就是Ia型超新星爆炸的其中一种,整个过程也被称为碳闪。

如果这颗恒星属于质量比较小的恒星,那内核还会收缩形成一个颗白矮星。如果这颗恒星的质量比较大,那碳闪就会把所有的物质都抛洒太空当中,一切荡然无存,只留下弥漫星云。

除此之外,还会有一种情况更加普遍,那就是在双星系统当中,主星由于个头更大,因此演化速度比较快,最先成为了一颗白矮星,等到伴星发展到红巨星时,也就是体积剧烈膨胀时(太阳变成红巨星时,半径会半大200倍),主星就会通过自身的强大的引力把伴星的质量都吸积到主星上。这样主星就会获得额外的质量,进而引爆超新星爆炸,这也同样是Ia型超新星爆炸中的其中一种。

超大质量恒星

这类恒星的质量大概都在8倍太阳质量以上,同样的,它也是从氢还是进行核聚变反应,然后是氦,再然后是碳和氧,中等质量恒星并不能让碳缓慢进行,但超大质量恒星可以,同样是依靠的是自身强大的引力。

碳燃烧先生成镁、硅、磷、硫、氖和钠。烧完之后,在引力作用下,

当内核温度达到10亿度,开始燃烧氧,生成硅、磷、硫等。当内核温度达到20亿度,开始烧氧烧剩下的那些原子核,形成原子序数更大的原子核。当内核温度达到30亿度,开始燃烧硅,并且生成铁等原子核。

实际上,铁是比结合能最大的元素,因此促使它反应其实特别难,根本原因在于,反应前后,没有释放出大量能量,反倒需要输入大量能量,也就是入不敷出。这时候的恒星是十分臃肿的,里面是分层的,最内核是铁,然后是硅聚变依次往外。

这时候的恒星就像洋葱一样,一层一层的,每一层对应的元素都不一样。

当内核温度达到40亿度时,光子会穿入铁原子核内,把铁原子核击碎,并释放出原子核内的中子和质子,质子与电子相遇后会成为中子,整个过程会消耗掉大量的能量,在引力的作用下,恒星迅速坍缩,核心只留下中子星或黑洞,然后引爆II型超新星爆炸。

以上就是各类恒星的终局,可以说,不同的质量所对应的结局就不同,下图就总结了不同质量的演化过程,我们大致可以这么理解,恒星说白了就是在烧原子核,但能不能烧的动,完全取决于温度,而温度又和引力有关,引力和自身质量有关,所以,恒星能烧到什么样的程度和自身质量有关,质量越大,生成物的原子序数就可能会越大,而铁原子核是一个坎,恒星迈过去就会成为一个中子星或者黑洞。

其实在恒星的演化过程中,一直伴随着新元素的生成,那这些元素都是从哪些方式来的呢?仅仅是依靠恒星核聚变么?实际上,并不是,恒星核聚变只是产生了部分的元素,但并不是全部的元素,具体是咋回事,我们下次再说。