恒星的大小為什么是有限度的？恒星為何小個(gè)子更長(zhǎng)壽？恒星的暮年為何那么輝煌？
形形色色的大千世界，其實(shí)就是大自然靠幾條簡(jiǎn)單的規(guī)律制造出來(lái)的，那些千差萬(wàn)別的恒星們，它們的命運(yùn)是由什么決定的呢？
恒星的光和熱
從哪里來(lái)？
首先要弄清楚，為什么恒星能持續(xù)不斷地發(fā)光放熱呢？
原來(lái)恒星的光和熱一般來(lái)自它們內(nèi)部的氫核聚變反應(yīng)。所謂氫核聚變反應(yīng)就是氫和氫的原子核結(jié)合在一起，形成氦并釋放出大量的能量。而我們知道，一般原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電，可以削弱質(zhì)子相互間的靜電排斥力。但是氫原子核中只有一個(gè)質(zhì)子，沒(méi)有中子，兩個(gè)氫原子核怎么能結(jié)合到一塊？正因如此，地球上要進(jìn)行氫核聚變反應(yīng)，必須通過(guò)復(fù)雜過(guò)程提取到氫的有中子的兩個(gè)同位素哥哥——氘和氚，它們的原子核才能結(jié)合在一起生成氦。
然而恒星中只有不含中子的氫，到哪兒找氘和氚去呢？不要著急，宇宙已為恒星準(zhǔn)備了一個(gè)不需要氘和氚的氫核聚變過(guò)程。當(dāng)恒星中心溫度達(dá)到400萬(wàn)攝氏度以上時(shí)，因?yàn)樘珶?，氫的電子早跑掉了，氫就成了孤家寡人，這時(shí)說(shuō)它是氫元素也罷，氫原子核也罷，質(zhì)子也罷，都是一回事——一個(gè)由單個(gè)質(zhì)子組成原子核的氫。所以這時(shí)的恒星中心實(shí)際上就是一個(gè)個(gè)的質(zhì)子在滿天飛，活躍得就像游樂(lè)場(chǎng)里瘋狂開(kāi)著的碰碰車一樣，互相碰撞。偶爾有兩個(gè)質(zhì)子相互碰撞得太厲害了，把其中一個(gè)質(zhì)子的正電子給撞飛了，變成了不帶電的中子，這樣就可以與質(zhì)子組成氫的同位素哥哥——氘的原子核，這個(gè)過(guò)程用專業(yè)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，叫“正β衰變”。以前地球上有β衰變，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是中子放出一個(gè)負(fù)電子變成質(zhì)子的過(guò)程。而正β衰變剛好相反，它是質(zhì)子放出一個(gè)正電子變成中子的過(guò)程。這種在地球上幾乎沒(méi)有見(jiàn)過(guò)的正β衰變，其實(shí)在恒星中是時(shí)時(shí)刻刻都在進(jìn)行著的。
有了氘就好辦了，之后氘會(huì)很快與氫結(jié)合，生成含有兩個(gè)質(zhì)子一個(gè)中子的氦3原子核，但氦3不穩(wěn)定，兩個(gè)氦3原子核會(huì)相互結(jié)合成氦4，并釋放出兩個(gè)質(zhì)子。于是通過(guò)這個(gè)過(guò)程，恒星內(nèi)的氫就成功聚變成氦，并釋放出大量的能量。這個(gè)過(guò)程稱“質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)”，簡(jiǎn)稱PP反應(yīng)。
由于兩個(gè)質(zhì)子在恒星中相互碰撞結(jié)合的幾率極小，只有十億分之一，就是說(shuō)，在10億對(duì)質(zhì)子中，只有1對(duì)會(huì)碰撞并相互結(jié)合。所以這就卡住了核反應(yīng)的速度，使恒星的能量能夠持續(xù)穩(wěn)定地釋放，而不是突然的爆發(fā)式釋放。像太陽(yáng)這樣的恒星就有約1056對(duì)氫離子，這其中只有十億分之一的氫參與反應(yīng)，那么，太陽(yáng)的氫就可以夠太陽(yáng)持續(xù)燃燒至少100億年。
由此看來(lái)，之所以稱為恒星，星體必須有PP反應(yīng)才行。
恒星的催老素
是上述的核反應(yīng)讓恒星放光放熱，再大的恒星，含有的燃料終有燃燒殆盡的時(shí)候，因此恒星們也有“死亡”的那一天。讓科學(xué)家驚訝的是，恒星們的壽命長(zhǎng)短竟然有很大的差別：有的能“活”千億歲，自宇宙誕生至今，它還處于幼兒時(shí)期；有的則只能“活”幾百萬(wàn)年，所以現(xiàn)在宇宙中已經(jīng)到處充滿了一些恒星的尸骨——中子星和黑洞。這種壽命長(zhǎng)短的對(duì)比就像有的活100歲，有的卻活不到1小時(shí)！更讓科學(xué)家感到奇怪的是，長(zhǎng)壽恒星都是小個(gè)子恒星，恒星體重越小越長(zhǎng)壽，體重越大越短命。這是為什么？不是質(zhì)量越大的恒星含有的燃料越多嗎？
原因在于，上述質(zhì)子變氦核的過(guò)程中，溫度是個(gè)主要條件，小個(gè)恒星只有最中心的部分才夠熱，像太陽(yáng)，差不多是1/10的地方存在核反應(yīng)，更小的恒星則可能只有1/100的地方才能達(dá)到足夠的溫度，這就讓恒星放慢了燃料消耗的速度，從而延長(zhǎng)了自己的壽命，所以恒星個(gè)子越小，參與反應(yīng)的燃料所占的比例越小，恒星反而更長(zhǎng)壽，只是它放出的光和熱較少。
而大個(gè)恒星不僅夠溫度的氫較多，關(guān)鍵是內(nèi)部的高溫還引發(fā)了一種類似被催化劑催化了的核反應(yīng)！大大加快了燃料消耗的速度。
核反應(yīng)也有催化劑？很有意思！那么誰(shuí)是催化劑呢？
恒星從星云襁褓中“誕生”后，構(gòu)成它的物質(zhì)中，超過(guò)99.9%的元素是氫，但也有極少量其它元素，例如也會(huì)含有極少量的碳。前面說(shuō)過(guò)，質(zhì)子與質(zhì)子相撞生成氦的幾率很小，因此反應(yīng)速度并不快。但是當(dāng)恒星的質(zhì)量較大，中心的溫度更高，達(dá)到1300萬(wàn)攝氏度以上時(shí)，碳就會(huì)與質(zhì)子結(jié)合，并進(jìn)行正β衰變，這個(gè)過(guò)程不斷重復(fù)，會(huì)生成氧15，再變成氮15，氮15繼續(xù)與質(zhì)子結(jié)合，就又變回碳，并放出氦。這個(gè)過(guò)程中，碳并沒(méi)有消耗，它只是起到了類似媒人的作用，讓4個(gè)質(zhì)子結(jié)合起來(lái)，變成了氦，因此，碳催化了質(zhì)子變氦核的聚變反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程中有氮和氧等中間產(chǎn)物生成，因此又叫碳氮氧循環(huán)，簡(jiǎn)稱CNO循環(huán)。
有了碳的催化，宇宙那十億分之一的速度關(guān)卡也就失效了，氫核聚變的反應(yīng)速度大大提高，迅速把恒星中的氫變成氦，釋放出大量的光和熱。即使恒星內(nèi)部只有極少量的碳，一旦這個(gè)催化反應(yīng)被點(diǎn)燃，恒星的壽命也就會(huì)快速縮短。這就是為什么大質(zhì)量恒星的壽命會(huì)出乎意料地短暫，原來(lái)碳是它們的催老素！
恒星末年的輝煌
不管恒星衰老的速度快還是慢，有沒(méi)有碳作為催老素，恒星的壽終正寢都需要另一個(gè)反應(yīng)前來(lái)“索命”。
一般情況下，恒星里的氫變成氦之后，氦就不會(huì)繼續(xù)反應(yīng)了，但在高溫下氦能與氦反應(yīng)，生成的是鈹8，鈹8是極不穩(wěn)定的，生成之后馬上又分解成了氦，因此宇宙相當(dāng)于又用氦卡住了核反應(yīng)的“脖子”，讓恒星不至于放出太多的能量。
但是當(dāng)恒星核心的氫燃燒得所剩不多的時(shí)候，靠氫核反應(yīng)釋放的能量不足以對(duì)抗恒星自身的引力，恒星內(nèi)部就會(huì)急速塌縮，塌縮導(dǎo)致溫度急劇升高，達(dá)到上億攝氏度時(shí)，鈹8生成的速度太快了，超過(guò)了其分解的速度，于是恒星中心就會(huì)有少量鈹8存在，鈹8只要能存在，就會(huì)快速吸收一個(gè)氦，生成穩(wěn)定的碳，從而釋放出巨大的能量，這個(gè)過(guò)程是3個(gè)氦，也就是3個(gè)α粒子參與的反應(yīng)，因此又叫3α反應(yīng)。
這個(gè)反應(yīng)使恒星內(nèi)部溫度繼續(xù)升高，又會(huì)點(diǎn)燃更多的氦生成碳，釋放更多的能量。同時(shí)恒星外層的氫也因高溫啟動(dòng)了碳催化的CNO循環(huán)反應(yīng)，這樣，瞬間就有異常巨大的能量釋放，這巨大的能量會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)質(zhì)量以下的恒星急劇膨脹，體積增大上億倍，形成壯觀的紅巨星。而較大的恒星則會(huì)突然超新星爆發(fā)，拋出大量的物質(zhì)。外層物質(zhì)拋出后，中心的殘骸最終的命運(yùn)，或者變成白矮星，或者變成中子星，或者變成黑洞，變成什么與殘骸質(zhì)量大小有關(guān)。經(jīng)歷了暮年的輝煌之后，恒星就這樣快速地死亡了。
恒星的體重和體積
恒星雖然死亡了，關(guān)于恒星一生的經(jīng)歷，我們還可以品評(píng)一下。在恒星的一生中，除了恒星的體重變化不大之外，恒星放出的光和熱，恒星的體積和密度都在不斷變化著。
關(guān)于恒星的體重，其實(shí)是有個(gè)限度的，恒星的質(zhì)量不能無(wú)限大，也不能無(wú)限小，其中起決定作用的就是PP反應(yīng)所要求的高溫。像木星等氣體星球的成分與太陽(yáng)的成分很相似，但為什么木星不能像恒星那樣燃燒？原因就是木星的個(gè)頭太小，體重不夠。因?yàn)轶w重不夠的話，引力就小，難以收縮達(dá)到足夠的高溫，也就難以產(chǎn)生PP反應(yīng)，所以難以成為恒星。就像煤場(chǎng)的煤堆得足夠高時(shí)，里面才會(huì)發(fā)生自燃一樣，一小堆煤放一百年也不會(huì)自燃。通過(guò)計(jì)算，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)只有體重達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的0.08以上時(shí)，上述的核反應(yīng)才能點(diǎn)燃，這就決定了恒星的體重至少是0.08個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
同樣，恒星也不能無(wú)限大。科學(xué)家目前認(rèn)為，恒星的體重不能超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量的3000倍，否則它就無(wú)法存在。
為什么呢？如果恒星太大了，假設(shè)超過(guò)了3000個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，其自身重力導(dǎo)致的內(nèi)部急劇收縮，會(huì)使恒星內(nèi)部的溫度達(dá)到1億攝氏度以上，這時(shí)3α反應(yīng)就會(huì)啟動(dòng)，使得恒星中心短時(shí)間內(nèi)釋放出巨大的能量，這會(huì)導(dǎo)致它急劇膨脹或爆炸，恒星因此也就分解了，很可能分解為很多小恒星。由此看來(lái)，超過(guò)3000太陽(yáng)質(zhì)量的恒星是無(wú)法穩(wěn)定存在的，這就決定了恒星的質(zhì)量上限不能超過(guò)3000個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
恒星的體重相互之間相差雖然不是很大，也就幾萬(wàn)倍。但是恒星的體積卻可以相差十億倍之多。不同年齡段，不同質(zhì)量的恒星，其內(nèi)部進(jìn)行的核反應(yīng)的種類和劇烈程度就會(huì)不同，釋放的能量也會(huì)不同。引力讓恒星具有收縮的趨勢(shì)，而能量的釋放則讓恒星有膨脹的趨勢(shì)，恒星體積的大小就是這兩種力量相互對(duì)抗、達(dá)到平衡后的結(jié)果。如此，一顆恒星的體積和密度也就會(huì)隨著年齡大小和放熱多少而不斷發(fā)生變化。
從上面的情況可以看出，恒星放出的光和熱，恒星壽命的長(zhǎng)短，恒星體積和密度的大小都是上述三個(gè)反應(yīng)作用的結(jié)果。宇宙就是這樣用三個(gè)核反應(yīng)決定了所有恒星一生的命運(yùn)。
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