恒星死亡后会留下4种残骸,一个比一个恐怖!
在浩瀚无垠的宇宙中,恒星无疑是最为常见且至关重要的天体,其总质量占据了可见物质总量的 99.9% 以上。当我们仰望星空,那闪烁的繁星之中,99.99% 都是恒星。
行星的形成与恒星紧密相连,它们实际上是恒星形成过程中遗留下来的物质聚合而成。
以我们所处的太阳系为例,太阳作为太阳系中唯一的恒星,其质量独占整个太阳系质量的 99.86% 。
与之相比,八大行星以及太阳系内所有大大小小的天体加起来,质量总和仅占太阳系质量的 0.14% 。
行星自身并不具备发光能力,主要依靠吸收恒星辐射的能量来提升自身温度,在恒星光芒的照耀下,默默地沿着各自的轨道运行。
恒星的规模大小各异,像太阳这样的恒星,在恒星家族中属于中小质量恒星。
恒星质量的下限约为太阳质量的 8%,而最大的恒星质量则可达到太阳的 200 倍。质量过小或过大的恒星都难以稳定存在。
若天体质量未达到太阳质量的 8%,其核心便无法获得启动核聚变所需的足够温度和压力,自然也就无法开启发光发热的进程,这样的天体最终可能成为褐矮星或者行星。
而质量大于太阳质量 200 倍的恒星,由于剧烈的核聚变产生的辐射压与巨大质量带来的引力压难以维持平衡,致使恒星处于极不稳定的状态,会不断地向宇宙空间抛撒其外围物质。
恒星的寿命长短与其质量有着紧密的关联,呈现出质量越小,寿命越长;质量越大,寿命越短的规律。
这是因为恒星质量越大,其核心所承受的压力和温度就越高,核反应也就越为剧烈,内部燃料消耗的速度自然更快,恒星的生命也就随之迅速燃烧殆尽;反之,质量较小的恒星,核反应相对温和,燃料消耗缓慢,寿命也就更为长久。
例如,质量最大的恒星寿命仅有几百万年,而质量最小的恒星寿命则可超过万亿年。
如同世间万物一样,恒星也有着诞生、成长与死亡的生命周期。并且,不同质量的恒星,其死亡的方式和结局也各不相同。
恒星的死亡方式大致可分为四种,相应地,死亡后的残骸(也可称为尸骸)也主要有黑矮星、白矮星、中子星、黑洞这四种类型。
这些残骸在宇宙中展现出各自独特的特性,其中黑洞堪称恒星死亡残骸中的 “顶级霸主”,犹如宇宙中的饕餮,对周围的一切物质来者不拒,甚至连其他恒星残骸也不放过。
不过,黑洞强大的引力范围与其质量成正比,只要不主动靠近其极端引力区域,还是能够确保一定安全的。
黑矮星被认为是众多恒星的最终归宿。
在宇宙中,数量最为庞大的恒星类型当属红矮星。这类恒星质量相对较小,温度和亮度也较低。红矮星的质量一般介于太阳质量的 8% 至 50% 之间。
若天体质量未达到太阳质量的 8%,其核心无法达到启动核聚变的温度和压力条件,只能沦为褐矮星或行星;而质量更大的恒星,其性质则与太阳更为相似。
小质量恒星由于中心压力和温度相对较低,内部的核反应进行得较为温和,燃料消耗速度缓慢。在其漫长的生命周期中,不会发生剧烈的变化,只是静静地将核心燃料逐步消耗殆尽,最终走向熄灭。熄灭后的残骸便是黑矮星。
根据红矮星质量的不同,其寿命可长达千亿年甚至数万亿年。然而,宇宙自诞生至今仅有 138 亿年,因此截至目前,所有的红矮星都正值 “青壮年” 时期,尚未有一颗红矮星演变为黑矮星。
此外,白矮星和中子星作为大中型恒星的残骸,在形成之后,由于内部不再产生新的能量,会逐渐冷却,最终能量消耗殆尽,也会转变为黑矮星。但这一冷却过程极为漫长,大约需要 100 至 200 亿年。基于此,在当前的宇宙中,我们尚未发现黑矮星的踪迹。
白矮星是中等质量恒星走向生命尽头后的残骸。一般而言,质量在太阳的 0.8 倍至 8 倍之间的恒星,包括太阳自身,在生命后期会经历红巨星膨胀阶段。随着时间的推移,恒星的外围物质逐渐飘散至太空,最终仅留下中心一个致密的核心,这个核心就是白矮星。在宇宙中,我们现已发现了众多白矮星。
以距离我们 8.6 光年的天狼星为例,它实际上是由一颗蓝矮星和一颗白矮星共同组成的双星系统。其中,蓝矮星的质量是太阳的 2 倍多,而白矮星的质量与太阳相近,但其体积却仅有地球大小。
白矮星是一种密度极高的天体,其密度可达 1 至 10 吨 / 立方厘米 。白矮星刚形成时,表面温度约为 10000℃,此时它会发出光芒,但光度相对较弱,大约只有太阳光度的千分之一到万分之一 。再加上其体积较小,因此在稍远的距离便难以被观测到。
恒星相比白矮星,体积和亮度都要大得多,然而即便是现代最为先进的天文望远镜,也很难直接观测到恒星的圆面,通常只能看到一个亮点。白矮星体积更小且亮度更弱,观测难度自然更高。尤其是在双星系统中,主星的光芒会掩盖住白矮星微弱的光亮,使得白矮星更加难以被发现。
因此,对于白矮星的观测,通常借助光谱分析的方法来实现。
或者使用星冕仪等特殊设备,将主星的光芒遮挡住,才有可能勉强观测到一些距离较近的白矮星亮点,比如天狼星 B。由于宇宙中中小质量恒星数量众多,它们死亡后的遗骸大多是白矮星。考虑到宇宙已经存在了 138 亿年,理论上应该存在大量白矮星。
据估计,白矮星的数量约占恒星总数的 3% 至 10% 。截至目前,人类已经发现了 1000 余颗白矮星。1982 年出版的白矮星星表中,就列举了距离太阳较近的银河系内的 488 颗白矮星。
那么,既然白矮星是恒星的残骸,其核心核聚变早已熄灭,不再产生能量,为何还会发光发热呢?
这是因为白矮星本质上是原恒星的星核,而星核的温度原本就比原恒星的表面温度高得多。以太阳为例,其表面温度约为 6000℃,而核心温度却高达 1500 万℃ 。并且在后续的氦核聚变过程中,核心温度还会进一步上升至数亿度。
当恒星的外围物质消散后,留下的中心碳核继承了原恒星的高温。白矮星刚形成时,表面温度甚至比原恒星更高,可达上万度,核心温度则保持在上千万度。这些储存的热量会持续不断地向外辐射,从而使得白矮星依然能够发出光和热。
不过,由于没有新的能量产生,白矮星会逐渐冷却,冷却后的残骸便是黑矮星。白矮星的质量一般在太阳质量的 0.2 至 1.44 倍之间,根据质量的不同,其冷却所需的时间也有所差异,大致需要 100 至 200 亿年。
当白矮星完全冷却后,其内部高密度的碳会结晶,形成一个巨大的 “钻石星球”。但需要注意的是,这里的 “钻石” 与地球上的钻石截然不同,其密度高达 10 吨 / 立方厘米 ,倘若有一个这样的 “钻石戒指”,其重量足以像镣铐一样将人牢牢固定在原地。
中子星是大质量恒星死亡后留下的残骸,形成中子星的原恒星质量一般在太阳的 8 倍至 30 倍之间。质量在太阳 8 倍以上的恒星,其核心温度和压力极高,能够引发从氢元素到铁元素以下的一系列核聚变反应。随着核聚变的持续进行,最终在恒星核心会形成一个铁球。
当核聚变停止后,恒星外壳的物质在自身引力作用下,以亚光速向铁核猛烈撞击,随后产生几乎相同速度的反弹激波。这两股强大力量的剧烈碰撞,导致热核反应失控,恒星会以超新星爆发的壮丽方式终结自己的生命。
倘若超新星爆发后,核心残留的质量超过太阳质量的 1.44 倍,便会留下一颗中子星残骸。
中子星堪称宇宙中最为极端的天体之一,其质量介于太阳质量的 1.44 倍至 3 倍之间,而半径却仅有约 10 千米 。如此一来,中子星的密度达到了令人难以置信的程度,可达 1 至 10 亿吨 / 立方厘米 。其表面重力是地球的上万亿倍,表面压强更是恐怖,达到 10^28 倍地球大气压 。
中子星的逃逸速度极高,可达 1 万至 15 万千米 / 秒 ,磁场强度也极为强大,可达 1 至 20 万亿 Gs(相比之下,地球磁场强度仅为 0.7Gs,太阳磁场强度为 1000 至 4000Gs)。
中子星刚诞生时,表面温度可高达百万度,核心温度更是能达到万亿度 。因此,中子星会持续向宇宙空间释放出强烈的能量辐射,其辐射强度可达太阳的 100 万倍 。
中子星继承了原恒星的角动量,由于体积急剧缩小,其旋转速度变得非常快,部分中子星的转速可达每秒数千转。中子星强大的磁场会从磁极不断发射出强射电波束,并且由于中子星的磁极与自转轴并不重合,在其高速旋转的过程中,射电波束就如同灯塔的光束一般,在太空中进行周期性扫描。
当这些射电波束扫过地球时,其具有规律性的脉冲信号便会被人类安装的射电望远镜捕捉到,这类中子星也因此被称为脉冲星。截至目前,人类已经发现了数千颗中子星和脉冲星。“中国天眼”(500 米口径球面射电望远镜,简称 FAST)在正式运行一年多的时间里,就成功捕捉到了数百颗脉冲星的信号。
和白矮星类似,中子星的能量同样源于原恒星能量的残留,随着时间的推移,也会逐渐冷却,最终演变为一颗黑矮星。
黑洞是超大质量恒星死亡后留下的残骸,形成黑洞的原恒星质量至少需要达到太阳质量的 30 倍以上(也有观点认为需要 40 倍以上)。
这类超大质量恒星由于中心压力和温度极高,在生命末期,其内部的热核反应同样会失控,最终以超新星大爆发的方式结束一生。
与形成中子星的恒星不同,由于超大质量恒星的引力坍缩压力和温度更为极端,核心残留的质量也更大,最终会坍缩形成一个黑洞,且这个黑洞的质量一般在太阳质量的 3 倍以上。
黑洞可谓是恒星死亡残骸中的 “终极形态”,如同宇宙中神秘而恐怖的 “吞噬者”。
任何进入黑洞的物质,都会被无情地坍缩到核心那个体积无限小、密度无限大的奇点上。奇点的强大引力会在其周围形成一个具有无限曲率的球形空间,这个空间的大小与黑洞质量成正比,被称为黑洞视界或史瓦西半径 。
史瓦西半径的计算公式为 R = 2GM/C^2 ,根据该公式,一个质量为太阳 3 倍的黑洞,其史瓦西半径约为 9000 米 。在这个半径为 9000 米的球状空间内,任何天体,无论其质量大小,一旦靠近,都将被黑洞吞噬,不留一丝痕迹。
黑洞似乎永远处于 “饥饿” 状态,不断吞噬周围的天体和物质。随着吞噬的物质增多,黑洞的质量也会不断增大,其史瓦西半径也会相应地与质量成正比扩大。人类目前发现的宇宙中最大的黑洞名为 SDSS J073739.96 + 384413.2,其质量达到太阳的 1040 亿倍,史瓦西半径更是达到了 3120 亿千米 。并且,这个黑洞仍在持续不断地吞噬恒星物质,进一步壮大自身。
黑洞对所有进入其视界的能量和物质来者不拒,一旦物质进入视界,就连光也无法逃脱其强大的引力束缚,因此从本质上讲,黑洞本身是无法直接被观测到的。
然而,由于黑洞具有质量、电荷和角动量,当星际物质靠近黑洞视界时,会被黑洞强大的引力捕捉并向中心拉扯。在黑洞角动量的带动下,靠近的物质会以极高的速度旋转,转速可达一半光速甚至接近光速 。如此高速的物质相互碰撞,会激发出巨大的能量,释放出耀眼的可见光和各种能量射线。
同时,强大的能量喷流还会从黑洞自转轴的两端以接近光速的速度发射到宇宙空间,在 X 波段产生炽热的光芒。黑洞视界是可见与不可见的明确分界线,所有物质在黑洞视界外时是可见的,而一旦进入视界,便会瞬间消失,只留下一个深不可测的 “黑窟窿”。
通过观测这些由黑洞吸积物质所产生的辐射和喷流现象,人们可以借助光学和射电、射线望远镜来间接观测黑洞,并通过相关数据计算出黑洞的质量。
白矮星和中子星作为极端天体,其强大的引力对靠近它们的恒星等天体构成了巨大威胁。一旦有天体靠近,便会被它们捕捉并逐渐拉扯撕碎,最终被吞噬。通过这种吸积周围天体物质的方式,白矮星和中子星会不断增加自身质量。
当它们的质量达到特定的临界点时,就会发生质的蜕变,演变为更高层级的残骸。
这里涉及到两个重要的极限值,一个是钱德拉塞卡极限,另一个是奥本海默极限。白矮星的质量临界点为 1.44 倍太阳质量,即钱德拉塞卡极限。当白矮星质量达到这一极限时,其内部依靠的电子简并压将无法继续支撑自身的物质形态。
此时,白矮星会面临两种截然不同的归宿:一种是引发超新星大爆发,自身被炸得粉碎,化作一片星云;另一种则是继续坍缩,转变为一颗中子星。
对于中子星而言,当它通过吸积物质,质量达到奥本海默极限时,内部的中子简并压将无法抵御自身强大的引力,进而继续坍缩,有可能形成夸克星或者黑洞。
目前,人类尚未在宇宙中发现夸克星的存在,因此夸克星的存在仍停留在理论猜想阶段。关于奥本海默极限的具体数值,目前尚无定论。有研究表明,不旋转中子星的奥本海默极限约为 2.16 个太阳质量,但实际上几乎不存在不旋转的中子星。
所以,一般认为奥本海默极限在 3 个太阳质量以上。而目前人类在宇宙中发现的最小黑洞,其质量也在太阳质量的 3 倍以上。
在宇宙的漫长演化历程中,白矮星、中子星和黑洞之间还会发生相互 “吞噬” 以及碰撞的极端事件。尤其是中子星或黑洞在相互碰撞时,会引发宇宙中最为壮观、能量最为强大的天体事件 —— 伽马射线暴。
伽马射线暴堪称宇宙中的 “顶级能量爆发”,在短短几秒钟或几分钟内所释放出的能量,甚至超过了一个星系在长时间内辐射能量的总和。倘若地球不幸被这种强大的能量击中,后果将不堪设想,因此科学界普遍认为伽马射线暴是宇宙中最恐怖的 “顶级杀手”。
有科学家推测,伽马射线暴可能导致了宇宙中 90% 以上的生命和文明走向灭绝,这或许也是人类至今尚未发现地外文明的重要原因之一 。它如同宇宙中的 “达摩克利斯之剑”,时刻影响着宇宙中生命和文明的发展与演化。
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