所有恒星都逃不出三个宿命:白矮星、中子星、黑洞
2017年6月1日,NASA发射人类首个中子星探测器,那么到底什么是中子星?研究它到底有什么重大意义呢?
从头说起,大家知道,所有恒星最终都逃不出三种结局:白矮星、中子星、黑洞。
▲人类发现的第一颗白矮星——天狼B星,质量跟太阳差不多,直径只有地球的两倍。
先来看看白矮星,因为最先发现它时,大多呈现暗淡的白色,个头也比较小(当然是跟我们最熟悉的太阳比啦),因此得名。对于中低质量的恒星来说,亿万年的演化走到白矮星这一步,算是走到了尽头,不再有什么变化。可它又是怎么来的呢?
拿我们身边最熟悉的太阳来说,50亿年后,热核聚变结束时,烧尽氢燃料膨胀成一颗红巨星,体积巨大到都能够吞噬掉地球,更别说水星、金星、月球了。因为虚胖,密度极低,几近真空,并不耽误这些行星运转,但高温却能毁灭所有生命,能够把地球彻底烤焦。
这时候的红巨星,核心温度无法持续升高了,聚变出来的碳、氧,只好堆积在核心区,越积越多,越积越紧密。当密度达到每立方厘米10吨的时候,天文学家就认为,太阳内部有了一颗白矮星。整个太阳就这么逐渐冷却,黯淡下去,外壳那些膨胀到了极限的稀薄星尘,慢慢散开,形成一个巨大无比、色彩斑斓的行星状星云,核心剩下的这颗白矮星,最终冷却成了一个实心疙瘩——黑矮星,就等着宇宙尽头了。要知道我们银河系90%以上的恒星(当然包括太阳),有朝一日都会变成白矮星。所以呢,不必叹息。
▲艺术家描述的类太阳恒星的生命周期。从左下角的主序星开始,然后膨胀经过红巨星的阶段,直到在右上角将外层抛离,形成行星状星云。
说完白矮星,再说说本期主角——中子星。
中子星,是更大质量恒星的最终结局。为什么叫它中子星呢?刚才说了,红巨星核心密度达到每立方厘米10吨的时候,被称为白矮星,这种密度虽然已经相当吓人了,但还属于正常物质结构的最大密度范畴,微观尺度下,电子还是电子,原子核还是原子核。
但在中子星体内就大不相同了,压力山大已经到了彻底突破正常世界的底线啦!不仅原子的外壳被压破了,而且连原子核都能被压破,质子和中子都被挤出来,质子碰到电子,又结合成中子。就这样,把整个星体变成了只有中子的独立王国。
▲这就是著名的「上帝之手」,编号PSR B1509-58,典型一颗脉冲星,属于高速自转的中子星。具体可戳: 这是上帝之手or魔鬼之手? - 知乎专栏
中子星的密度到底有多大?说出来吓死你,每立方厘米高达10亿吨!这是神马概念?相当于你把整个珠穆朗玛峰压缩成一块方糖那么小!
所以说,人类要是能搞清楚中子星的内部结构,科学是不是就能挺进一大步?!
问题来了,到底哪个上帝才能拥有如此蛮力,才能搞成这么大密度的中子星?
刚才说了白矮星的成因,热核聚变把氢氦燃料都烧完了,因为质量不够大,碳、氧只好堆积如山,慢慢冷却成白矮星。但是要知道中子星的前身——红超巨星,可比红巨星质量大多了。因为质量巨大形成了强大引力坍缩,氢氦烧完了,氧开始燃烧,就连硅都坚持不住开始核聚变了,直到出现了铁元素,56个质子和中子结合得极端紧密,不会再聚变下去了。终有一天,核心区的铁元素堆积如山,产生极强引力,使得外层物质极速坠落,落到铁核上,形成极端高温,引发核聚变,生成更重的元素。
▲在超新星爆发之前,大质量恒星的核心结构是有如洋葱般的层层排列,此图未按照比例排列。
我们不妨插上想象的翅膀,一个超级球体各个地方同时发生核聚变,爆发威力该有多大?场面何等壮观!这么一炸不要紧,瞬间就把自己整个球体炸飞了——这就是灿烂闪耀全宇宙的超新星爆发!只留下一点内部核心——如果前身恒星质量是8~20倍太阳质量,这就是中子星;如果前身是20~50倍太阳质量,爆炸后就坍缩成了黑洞。