恒星,构成了肉眼可见的物质世界中的99.9%以上。当我们仰望星河,映入眼帘的点点星光中,

99.99%都属于那些发光发热的巨大天体——恒星。它们是行星的家园,也是宇宙中创造奇迹的工匠。



行星,这些宇宙中的舞者,是由恒星形成过程中的剩余材料拼凑而成。以太阳系为例,太阳一星独大,质量占据了整个太阳系的99.86%,而余下的八大行星和无数小天体,只能共同分担那微不足道的0.14%。



行星自身无法发光,它们依靠吸收恒星的辐射热量来温暖自己。

恒星之大,有之;小者,亦有之。正如太阳这样的中等质量恒星,最小的恒星其质量仅为太阳的8%,而最庞大的恒星质量则高达太阳的200倍。

那些过于渺小或过于庞大的恒星,在自然界中并不多见。原因在于,若天体质量未达到太阳的8%,其核心就难以达到引发核聚变所需的温度和压力,自然无法发光发热;而质量超过太阳200倍的恒星,剧烈的核聚变辐射压与巨大质量所产生的引力压极难平衡,导致这类恒星极不稳定,不断向宇宙空间抛洒物质。



恒星的寿命与它的质量息息相关,质量越小,寿命越长;质量越大,寿命越短。这是因为,质量越大的恒星,其核心的压力和温度越高,核反应越剧烈,燃烧速度也越快,反之亦然。质量最大的恒星寿命仅有数百万年,而最小的恒星寿命则可能超过万亿年。



恒星有生也有死,它们的死亡方式亦因质量不同而异。据科学家所知,恒星的死亡方式大致有四种,而其遗骸——黑矮星、白矮星、中子星、黑洞,也是四种不同等级的“死亡证明”。



在这些遗骸中,黑洞无疑是终极霸主,拥有无与伦比的吸引力,是恒星死亡后最为恐怖的亡灵。对宇宙中的一切,黑洞均一视同仁地吞噬,甚至连这些遗骸也不放过。

然而,黑洞的吸引力与其质量成正比,只要不招惹它,不踏入其无限的引力范围,安全性通常还是可以保证的。



许多恒星的最终归宿是黑矮星。在宇宙中数量最多的恒星被称为红矮星,它们质量较小,温度和亮度也相对较低。红矮星的质量介于太阳的8%至50%之间,如果没有达到这个质量下限,天体的核心就无法达到核聚变所需的温度和压力,只能成为褐矮星或行星;质量再大的恒星则与太阳类似。

这类小质量恒星因其核心压力和温度较低,核反应温和,燃料消耗缓慢,因此一生中很少发生剧烈变化,只是静静地燃烧着核心燃料,直至熄灭,成为黑矮星。



根据红矮星的质量,它们的寿命可以达到千亿年甚至数万亿年,而宇宙至今只有138亿年的历史,因此,所有的红矮星还处于壮年期,尚未有任何一个红矮星转化为黑矮星。

而大中型恒星的遗骸,白矮星和中子星,在能量耗尽之后会逐渐冷却,最终能量完全消失,也会变成黑矮星。这一过程大约需要100至200亿年。

因此,黑矮星在宇宙中尚属罕见。白矮星则是中等质量恒星的遗骸。

人们普遍认为,太阳质量的0.8倍至8倍之间的恒星,包括太阳本身,在生命晚期会经历红巨星膨胀阶段,最终散去外层物质,留下的核心成为一个致密的核,即白矮星。

如今,我们在宇宙中已经发现了许多白矮星,例如距离我们8.6光年的天狼星,它由一颗蓝矮星和一颗白矮星组成,蓝矮星的质量约为太阳的两倍,而白矮星则与太阳质量相当,但体积却只有地球般大小。



白矮星是一种高密度天体,其密度可达1至10吨/cm3,刚形成时的表面温度约为10000℃,尽管会发光,但亮度较低,大约只有太阳亮度的千分之一至万分之一。加之体积微小,稍远一些便难以观测。



而恒星无论在体积还是亮度上都远超白矮星,但现代最好的天文望远镜也难以观测到恒星的圆面,仅能看到一个光点。白矮星体积小、亮度弱,观测难度更大。尤其是在双星系统中,主星的光辉会掩盖白矮星微弱的光芒,观测起来更加困难。

因此,对白矮星的观测通常依赖于光谱分析,或利用星冕仪等特殊设备遮挡主星光芒,方能勉强看见一些较近的白矮星亮点,如天狼星B。

由于中小质量恒星在宇宙中数量众多,死后遗骸便是白矮星,而如今宇宙已有138亿年历史,应当有许多白矮星存在。据估计,白矮星的数量占恒星总数的3至10%之间。



目前已发现的白矮星已超过1000颗,1982年出版的白矮星星表就收录了距离太阳不远、位于银河系内的488颗白矮星。

白矮星既然是尸骸,何以还能发光发热?白矮星的核心核聚变早已停歇,不再产生能量,但白矮星本身是原恒星的核心,其温度远高于原恒星表面。例如太阳表面温度约为6000℃,核心温度则高达1500万℃。随着氦核聚变的进行,核心温度甚至可能升至数亿℃,因此外围物质散去后,留下的核心碳核继承了原恒星的温度。



白矮星形成初期,其表面温度甚至高于原恒星,可达数万℃,核心温度则保持在上千万℃。这些温度会不断地以辐射的形式散发出去,因此白矮星仍有光和热辐射。但随着能量耗尽,白矮星会慢慢冷却,冷却后的白矮星残骸也称为黑矮星。

白矮星的质量一般在太阳的0.2至1.44倍之间,根据质量的不同,其冷却年限也各异,通常需要100至200亿年。当白矮星完全冷却后,其高密度碳会结晶形成巨大的钻石星球。但与地球上的钻石不同,这种“钻石”的密度高达10吨/cm3,一个“钻石”戒指足以将人牢牢固定在一个位置上。



中子星则是大质量恒星的遗骸。质量在太阳8倍以上至30倍以下的恒星核心温度和压力会引发从氢到铁以下的一系列核聚变,最终在核心形成一个铁球,核聚变停止后,恒星外壳的引力坍缩以亚光速撞击铁核,形成几乎相同速度的反弹激波,两股力量的碰撞导致热核失控,以超新星爆发的方式结束生命。

如果核心残留质量超过太阳的1.44倍,超新星大爆炸后便会留下一颗中子星遗骸。



中子星是极端天体,质量达到太阳的1.44至3倍,而半径仅约10公里,因此密度可达1至10亿吨/cm3,表面重力是地球的上万亿倍,表面压强高达地球大气压的10^28倍,逃逸速度可达1万至15万公里/秒,磁场强度也可达1至20万亿Gs(而地球仅0.7Gs,太阳仅1000至4000Gs)。



中子星刚形成时,表面温度可达百万℃,核心温度可达万亿℃。因此,中子星会持续向太空发出强烈的能量辐射,强度是太阳的100万倍。中子星继承了原恒星的角动量,体积极小,因此旋转速度极快,有的每秒可达数千转。

中子星的极强磁场会从磁极持续发射出强射电波束,而中子星的磁极与自转轴不重合,因此旋转时射电波束就像灯塔一样在太空中扫描,有的扫过地球,这些有规律的脉冲信号便可被人类安装的射电望远镜捕捉,中子星因此被称为脉冲星。

至今,人类发现的中子星和脉冲星已达数千颗,“中国天眼”(位于贵州的500米口径球面射电望远镜,简称FAST)自正式运行以来,仅一年多时间便已捕捉到数百颗脉冲星。



中子星的能量也是原恒星遗留的,冷却后也会变成一颗黑矮星。

黑洞是超大质量恒星的遗骸。这种恒星质量需至少为太阳的30倍以上(有观点认为需40倍以上)。由于中心压力和温度极高,最终与形成中子星的原恒星一样发生热核失控,以超新星大爆发结束生命。



在这些超重量级恒星的内部,巨大的引力塌缩作用与温度极高,使得核心的质量剩余变得更加庞大,这导致了它们最终的归宿——成为一个黑洞。黑洞的起点,便是质量至少三倍于太阳的星核。

可以将黑洞视为恒星的终极遗体,是贪婪至极的死亡之魂。所有被吸入黑洞的物质都会被压缩至核心处的一个无限微小的点,该点在其周围形成一个曲率无限大的球形区域,我们称之为黑洞视界或史瓦西半径。该半径的大小与黑洞的质量成正比。

史瓦西半径的计算公式为R=2GM/C^2。利用这个等式,我们能得知一个三倍太阳质量的黑洞的史瓦西半径大约为9000米。在这个半径范围内的任何天体,无论其质量多大,最终都将无一幸免,被黑洞所吞噬,不留一丁点残骸。



黑洞似乎永远饥渴难填。它们在吞噬一切物质和天体之后,质量会逐渐增加,史瓦西半径也随之增大。目前,科学家们已经观察到了一个被称作SDSS J073739.96+384413.2的宇宙中最大黑洞,其质量达到了太阳的1040亿倍,半径达到了惊人的3120亿公里。而这个庞然大物还在不断进食,持续膨胀。

黑洞无情地将它所触及的所有能量吸入其奇点,就像一个只进不出的貔貅。一旦某个物体进入了它的视界,哪怕是光也难以逃脱,所以黑洞实际上是无法直接观察到的。



然而,黑洞拥有质量、电荷以及角动量,一旦星际物质接近视界,就会被捕获,并被拖向中心。在接近黑洞的过程中,物质由于角动量的影响会急速旋转,其速度甚至能达到光速的一半或更接近光速。这种速度导致了物质之间的激烈碰撞,释放出强烈的可见光和辐射能量。



此外,强烈的能量射流也会从黑洞的自转轴两端以接近光速的速度射向太空,在X射线波段放射出耀眼的光芒。黑洞视界成为了可见与不可见的边界,在视界之外的物质是可见的,但一旦越过边界,就消失得无影无踪,只剩下无底的黑暗深渊。

因此,通过光学和射电、X射线望远镜,科学家们得以观察到黑洞,并计算其质量。



而恒星的遗骸也似乎拥有起死回生的能力,它们能够进化成黑洞。由于白矮星和中子星都属于极端天体,其他恒星或天体一旦不幸靠近它们,将会被其引力捕获,并被撕扯、消耗。白矮星和中子星通过吸积其他天体的物质,不断壮大自身,当质量达到一个临界值时,便会发生转变,成为更加高级的恒星遗骸。



这两个临界值分别被称作钱德拉塞卡极限和奥本海默极限。白矮星的质量如果达到1.44倍太阳质量,就无法再依靠电子简并压来维持自身的稳定,这时它可能通过一场超新星爆发将自己炸碎成星云,或继续坍缩成为中子星。而中子星在吸积后,如果达到奥本海默极限,其自身也无法再支撑,可能会演变成一个夸克星或黑洞。



尽管目前尚未发现夸克星,这仍是一个理论猜想。

关于奥本海默极限的具体数值,尚无定论。研究表明,不自转的中子星的奥本海默极限大约为2.16倍太阳质量,但实际上几乎不存在不自转的中子星,因此通常认为奥本海默极限的质量在3倍太阳以上。而目前所知的最小黑洞质量也在太阳的3倍以上。

关于恒星质量与中子星和黑洞形成的误区:并非1.44倍以上太阳质量的恒星就能形成中子星,3倍以上太阳质量的恒星就能成为黑洞。实际上,决定是否形成中子星或黑洞的关键在于大质量恒星在超新星爆炸时留下的核心质量。



因此,关于多大质量的恒星会形成中子星或黑洞,这只是一个相对的概念。至于到底是30倍还是40倍太阳质量的恒星在超新星大爆炸后会留下中子星还是黑洞,这主要取决于恒星演化末期的核心剩余质量。如果达到钱德拉塞卡极限,就会形成中子星;如果达到奥本海默极限,则会成为黑洞。



这些恒星的遗骸有时会发生激烈冲突,释放出巨大的能量。在宇宙演化的过程中,白矮星、中子星和黑洞会相互吞噬,有时甚至会发生相互撞击的事件,特别是中子星或黑洞之间的碰撞,可能会激发出伽马射线暴——一种宇宙中最为剧烈的能量爆发事件。

伽马射线暴是宇宙中最强的能量释放之一,其在短短几秒或几分钟内释放的能量,可能超过一个星系长时间辐射出的总能量。如果某颗星体不幸被这种能量击中,其结果将是灾难性的。因此,科学界普遍认为,伽马射线暴是宇宙中最致命的“杀手”。

有理论认为,伽马射线暴可能消灭了宇宙中90%以上的生命和文明,这或许是造成宇宙文明难以进化到高级阶段的一个重要因素。这也许是迄今为止人类未能发现地外文明的一个原因。

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