恒星将如何死去?——《解密黑洞与人类未来》
2022 1月 17 By 科学探索家 0 comment
  • 作者 / 海诺.法尔克 (Heino Falcke)、约格.罗默(Jörg Römer)
  • 译者 / 姚若洁

发生在天上的死亡事件:超新星爆炸

公元 1054 年,全世界的人都惊讶的仰望天空。有些人可能担心巨大的灾难即将发生。中国北宋的天文学家精确记下这场天空中的惊人事件,记录到苍穹中有颗与金星(太白)一样明亮的「客星」。一名阿拉伯医生甚至认为这是一颗新星而记录下来。

在欧洲,虽然并未留下确凿的目击纪录,人们或许也惊讶的看着占据午後天空的「明亮圆盘」。那麽,到底是什麽惊人事件,让世界各地都有人记下这个现象?

其实是超新星,一种规模巨大的恒星爆炸事件。它发生在我们的银河系内,距我们六千光年之遥。培布罗长者曾坐着之处的岩石雕刻中,显示了半圆形的月亮,以红色画在黄色的峭壁表面。在半月旁,是一颗清晰可见的巨大星星,圆形四周射出光芒——就像小孩子可能画出的表现方式。它几乎和月亮一样大。公园解说员告诉我们,这就是当时美洲原住民艺术家所描绘的超新星。我们这群天文学家并没有完全被说服。专家仍在争论这幅画到底是不是在描绘 1054 年的超新星爆炸。但我同时也觉得,他们不太可能没注意到如此不寻常的事件。

太阳将如何死去?

你可以把恒星想像为一个热气球。核心的热让它保持充气状态。一旦燃料用尽,里面的气体冷却下来,压力降低,气球便开始扁掉。恒星以类似方式面临自己的终结。一旦燃料烧完後,恒星便塌缩。不过恒星如何及何时「死去」,要视其质量而定。较轻的恒星(大多数恒星都属於这类)在经过漫长的一生後消耗殆尽,最後闷烧熄灭。

我们的太阳拥有一般的寿命。当它开始向内部塌陷时,仍能够启动自己的後燃器。在恒星的中央,核融合的灰烬(高热的氦核)会累积起来。在恒星内爆的内部高压之下,温度再次上升,氦会融合为碳,释放出最後所存的能量,「表皮」因此开始膨胀。就在寿命即将终结之时,太阳会膨胀,变成一颗红巨星,吞噬掉水星、金星,可能甚至包括地球。

白矮星的诞生

质量大於我们太阳的恒星,在临终喘息时会向外喷出气体和电浆。行星状星云形成,将死的恒星从内部提供光照,呈现出美妙的形状与色彩。这个奇景对宇宙来说只是一眨眼的时间;数千年後,这些行星状星云便会褪色。行星状星云这名称有点误导,因为它和行星毫无关系,只是因为在十八世纪发现到时,从当时的望远镜中看起来很像是由气体构成的远方行星。

在中心位置,是核融合的压缩灰烬,整个恒星的重量都集中在此。压力变得如此之大,使得原子逐渐挤在一起,直到摩肩接踵而完全没有空间留下。然後电子压力让这颗星无法继续塌缩。在恒星核心处绕行原子核的电子称为「费米子」(fermion)。费米子是物理界的独行侠,它不会与任何其他费米子同床共枕。当周遭变得太挤时,费米子抗衡了重力带来的压力,因而阻止了燃烧殆尽的核心完全崩塌。

如果恒星的外层已经脱去,那麽剩下来的就是一颗体积小、紧紧压缩、发出亮光的碳核,也就是白矮星(white dwarf),大小相当於地球,但重量相当於太阳。我们的太阳再过数十亿年後会变成白矮星,白矮星的组成物只要一茶匙就重达九吨,相当於一辆货车。白矮星的表面十分酷热,在很长的时间中会继续把热能辐射到太空,直至最後,这颗死星终於变成一颗冰冷、完美球型的碳结晶,成为太空中的巨大钻石。

这个过程有不同的量子力学效应参与,印度物理学家钱卓塞卡(Subrahmanyan Chandrasekhar)曾对此进行计算。1930 年,年仅十九岁的钱卓塞卡搭船前往英格兰,以便在剑桥继续他在印度时即已开始的物理学研究。在航程中他的时间很多,因此决定着手计算白矮星可能的最大质量,并得到 1.44 太阳质量的结论。

不过,如果一颗恒星比我们的太阳更大又重上许多,其压力提高到根本无法承受的程度时,又会发生什麽事?一颗重量比我们太阳大超过八倍的恒星,会点燃更多後燃器而避免塌缩。这颗巨大太阳的核心像洋葱般,一层又一层烧掉自己。愈接近核心的内层愈热,在燃烧各层的灰烬时,除了把每一层所储存的能量释放出来之外,也形成更大的原子核。氢变成氦,氦变成碳,碳和氦变成氧,氧变成矽,而矽变成铁。每一个燃烧过程都比前一个更快。氦要烧成碳需要一百万年,然而全部的矽融合成铁只需要几天时间。

然後,事情到此为止!从能量的角度而言,铁具有自然界中最为紧实的原子核。如果压力够大,铁还能融掉而形成更多新的元素,但这个过程不会再产生更多新能量,反而需要吸收能量。忽然间,增加压力以便从原子里挤出更多能量的单纯伎俩不再管用。就这样,原子不再升温,而是进入降温过程;压力不再提高,而是降低。这颗垂垂老矣的星星终於丧失最後的勉强支撑,堕入死亡。几分钟之内核心内爆——这颗步入死亡的星星再也无法承受自己的重力。

——本文摘自《解密黑洞与人类未来》/ 海诺.法尔克、约格.罗默,2022 年 1 月,天下文化。

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