《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第16节作者:
浅论物理 值得注意的是恒星的质量越大,其核心的燃料燃烧得也越快;这是由于大质量恒星的中心压力、温度极高,以使核聚变反应急剧加速;并且大恒星自身引力大,也必须由更大的热胀力来平衡;因而越大的恒星其生命期也越短。
恒星的核聚变过程大体上有氢聚变、氦聚变、碳聚变直到硅聚变几个过程。每个过程都是在前一个过程完结以后再接着进入下一过程,中间过渡时间极短。并且这一系列过程中除了释放出巨大的能量外,还产生出各种元素其中含有地球上一切生命所需的所有元素。聚变的最终产物是铁核这种惰性元素。铁核不会进行核聚变反应,因而在耗尽能源的最后时刻恒星已变成了由铁核为中心的巨大的红巨星,而引力塌缩立即开始。
铁核中质子和电子在巨大的压力下形成了中子、同时放出副产品中微子及宇宙射线之类的无数高速粒子。这时恒星核收缩成每立方米1000万亿千克的与原子核密度相同的,体积很小的球体。而恒星外层铁核等物质也正以极高速度向内猛烈地冲撞中子核。随着塌缩而引起的急剧的反弹、碰撞产生的巨大热量,再加上辐射出来的微粒,一起向外喷礴而出,猛烈地向四周辐射。同时又引起了恒星外层大气中的氢和其它较轻的气体产生聚变反应。仅仅在1秒钟内,庞大恒星整体及外层发生了巨大的爆发,瞬间达到1000亿颗恒星那样明亮,这就是超新星,也就是死亡了的大恒星。而小恒星死亡后最后产生有些类似的规模略小的爆发,称作新星。
之所以将它称作新星则完全是由于误会,当初科学家在太空中发现了如此耀眼明亮的远比恒星还亮的星时兴高采烈的满以为发现了刚刚诞生的恒星,因而急忙将它们称作新星或超新星,殊不知多少年以后方弄清楚,被当作新星的恰恰相反偏偏是即将寿终正寝的恒星,但已不易改口,只好将错就错地延续着称呼下来。
我们再来看一个具体的例子:一个质量比太阳大25倍的恒星的生命周期。由于它内部远大于太阳内部的巨大压力,即使较慢的第一阶段氢聚变阶段也就仅仅在700万年之内就完成了。接着氦聚变阶段仅用了70万年,随后是碳反应阶段600年;再经过氖的一年燃烧期、氧的六个月的反应及硅的一天燃烧阶段;最后核反应链得到最终的元素铁的恒星核。铁既不参与聚变反应,又不参与裂变反应;因而是稳定的最终产品。铁的恒星核,温度高达数十亿度,直径仅仅在1000千米,而它的密度要比水高十亿倍;……就此,转而进入了下一个阶段——大爆发的超新星状态,实际上也就宣布了该恒星已经灭亡。
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日期:2009-11-03 08:23:27
超新星爆发是我们所观察到的最最宏伟壮观的天象了。半人马座Z星爆发时比整个星系还要亮100倍。银河系内的超新星爆发甚至白天都能够看见,时间可长达两个月以上。超新星爆发后原先中间不含有氢的恒星全部炸得粉身碎骨无踪影了;而含有氢的超新星爆发后的残骸,依据它质量大小分别形成中子星或黑洞。
小质量的恒星,譬如与地球差不多大小的恒星灭亡以后,因为它的质量还没有大到使其引力足够强大到引起自身塌缩的程度,它不再以核燃料为能源来发光,而仅靠自己剩余的热量发光,已经没有多少活动能力了。但它半径为几千英哩,密度却高达每立方英寸几百吨,是一种引力强、密度大、体积小的新天体,引力比地球还强30万倍。它经常在双星系统中出现,伴随一颗温度较低的恒星互相绕着转动。应该说恒星中有一多半是在双星系统里的。当我们从望远镜里看到红兰两个“太阳”相互缠绕的奇观,这是由于同时出现红移及兰移现象所引起的。由小恒星灭亡时形成的天体称作白矮星,当它相当于太阳般大的质量时体积只有地球大,具有很高的密度。第一颗被发现的白矮星是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那颗。
不过要是一颗白矮星与一颗恒星相伴的话,恒星就得小心点。白矮星会吸引伴星外层的氢;而一旦白矮星表面积累了相当质量的氢以后、温度相应地又升高到一定程度时也会发生氢核聚变反应;此时白矮星就产生了爆发,这就是前面讲到过的新星。新星就是小恒星灭亡前的大爆发。亮度可增大10万倍以上。而超新星产生于大质量的恒星,即质量至少大到足以使其引力强到导致自身塌缩的程度。
而超新星产生于质量大的恒星,即质量大到自身的引力足以使其自己塌陷的程度。一般来说当恒星的质量小于30倍太阳时最终形成中子星;而当质量再大时最终会塌缩成黑洞;这两者都是超新星爆发后的残骸组成的。超新星极少发现,银河系中自1604年发现蛇夫星座超新星以来,还再没有发现过。在其它星系中,每年能发现几颗超新星,但距离遥远至少在几百万光年以上。1987年2月23日在大麦哲伦星云中由加拿大天文学家发现了一颗5等星,接着很快被证实它就是一颗超新星;大麦哲伦星云距离地球16万光年,是离地球最近的星系,这是自1604年来发现的第一颗用肉眼就可见的超新星,也是20世纪天文物理学最大的事件之一,它的命名为1987A。
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日期:2009-11-04 08:56:31
中子星,是由中子组成的,它的质量一般是太阳质量的2~30倍但体积却只是30千米直径的一个小球。它属于超新星爆发后的残骸组成的恒星遗体,由于强大的引力原子中电子和质子被挤在一起变成了中子,那么密度也就同原子核一样约每立方英寸几百万吨。当它的磁场和围绕的磁场相互作用时就会发出脉冲射电波,所以又叫做脉冲星。需说明一下,在某些理论中是如此划分的,他们认为相当于太阳质量0.08~8倍的恒星灭亡之后形成的是白矮星,而中子星是需要30倍太阳质量的恒星变成的。
脉冲星自转特快,周期稳定约在0.002~4.3秒之间,密度最高可达每立方厘米1亿吨,表面温度达到1000万度是太阳中心温度的2/3;但中心温度竟然达到了60亿摄氏度。中心压力是10000亿亿亿个大气压,辐射强度比太阳高一百万倍,同时具有极强的磁场。
中子星是在20世纪30年代就被预言的,但第一颗脉冲星是直到1967年由24岁的女研究生贝尔发现的。到了80年代,就已经发现了四、五百颗。1995年6月三个法国天文学家发现距地球2亿光年的马卡良712星系内突然出现了数百颗大质量星;密度高于银河系内大质量星平均数的1万倍。在这以前很少发现质量达到30个太阳的与此类似的星。这些就是中子星,也是人类目前所知的宇宙中密度最为极端状态的物质,如今黑洞还仅仅是一种理论上的推测并没有能实际发现并加以确认过。
比形成中子星质量更大的恒星灭亡之后形成的是黑洞。黑洞是引力极强的一种天体,该天体的逃逸速度高过光速。霍金针对广义相对论的预言指出,时空向它自身弯曲表明,必须存在奇性,也就是时空具有一个开端或者终止的地方。它的开端大约在150亿年前的大爆炸处;而对任何落入塌缩恒星所形成的黑洞中的物体来说它将到达一个终点。
20世纪60年代人类有四大发现:星际分子、类星体、微波背景辐射、脉冲星具有重大的意义。其中后两项在前面已经说过就不再重复了。星际分子在20世纪30年代只发现过第一种、在60年代前也就发现过三种,1963年起陆续发现了大量的星际有机分子,到了80年代末就已经发现了80多种,而且许多是很复杂的有机分子,少数分子在地球上极其稀有或者根本找不到。星际分子的发现有助于人类可了解星云的特性、有助于揭开生命起源的奥秘。
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