為什么恒星會(huì)“燃燒”，當(dāng)它們消亡時(shí)會(huì)發(fā)生什么？答案你不會(huì)想到

2023.04.08 云南

圖解:太陽面對(duì)地球的一面幾乎全部爆發(fā)了劇烈的粒子活動(dòng)。這張來自太陽動(dòng)力學(xué)的異乎尋常的紫外線快照向我們展示了處于粒子噴發(fā)中期的太陽北半球。（圖片來自NASA/SDO）

恒星有很長的壽命，但他們終究也會(huì)消亡。恒星，一些我們?cè)芯窟^的最大的物體，構(gòu)成它們的能量來源于單個(gè)原子之間的相互作用。所以，為了了解宇宙中體積最大同時(shí)又是能量最大的物體，我們必須先理解最基本的規(guī)則。這樣，當(dāng)恒星的生命走到盡頭，這些基本的規(guī)則就會(huì)再次開始運(yùn)行，告訴我們接下來恒星會(huì)如何變化。

恒星的誕生

恒星的形成要耗費(fèi)相當(dāng)漫長的一段時(shí)間，在這期間，宇宙中漂浮的氣體在重力作用下逐漸聚集。這些氣體大部分是氫氣，因?yàn)闅涫怯钪嬷凶罨疽沧钬S富的元素，盡管有時(shí)候一些氣體中可能包含其他的元素。充足的氣體在重力作用下聚集在一起，同時(shí)每個(gè)原子也在吸引其他原子。

這種重力的吸引作用足以使原子相撞繼而爆發(fā)出熱量，實(shí)際上，當(dāng)原子間相撞時(shí)，它們一邊震動(dòng)一邊加速運(yùn)動(dòng)（意思是說，熱能的真正來源是原子運(yùn)動(dòng)）。最后，當(dāng)原子達(dá)到很高的溫度，單個(gè)原子產(chǎn)生了充足的動(dòng)能，它與另一個(gè)同樣擁有巨大動(dòng)能的原子相撞時(shí)，便不僅僅是相互反彈開那么簡單。

只要有充足的能量，相撞的兩個(gè)原子的核會(huì)融合在一起。值得記住的是，大部分情況下這種原子會(huì)是氫原子，這意味著每個(gè)原子里只包含了一個(gè)單個(gè)質(zhì)子的原子核。當(dāng)這些原子核融合在一起（適當(dāng)?shù)乇扔?，一個(gè)像原子核的融合一樣清楚的過程）構(gòu)成了有兩個(gè)質(zhì)子的核，也就是說新的原子創(chuàng)造了一個(gè)氦原子。對(duì)恒星來說，則可能融合了質(zhì)量更大的原子，比如說氦，共同去創(chuàng)造更大的原子核。（這個(gè)過程被稱作核合成，我們通常認(rèn)為這也是宇宙中許多元素的構(gòu)成原因。）

恒星的燃燒

所以恒星里的原子（通常是氫元素）彼此撞擊時(shí)經(jīng)過核合成的過程生成了高溫、電磁輻射（包括可見光）和其他形式的能量——比如高能粒子。我們普遍認(rèn)為這個(gè)時(shí)期的原子燃燒就是恒星的生命，我們看到的閃耀在天頂?shù)拇蟛糠趾阈嵌继幵谶@個(gè)階段。

高溫生成高壓——像是加熱一個(gè)氣球里的空氣會(huì)生成壓迫氣球表面的壓力（粗略類比）。這種壓力會(huì)使原子彼此分離，但同時(shí)重力使他們聚集。歸根結(jié)底，當(dāng)恒星到達(dá)一種重力吸引和壓力排斥的平衡，在這期間它就會(huì)以一種相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)燃燒，直到燃料燃盡。

恒星的冷卻

當(dāng)一顆恒星里的氫燃料轉(zhuǎn)化為氦，再轉(zhuǎn)化為其他更重的元素，它會(huì)吸取越來越多的熱量來為核反應(yīng)積蓄。體型較大的恒星的燃料使用速度較快，因?yàn)樗枰嗟哪芰咳サ窒蟮囊?。（或者說，從另一個(gè)角度來看，更大的重力引起原子更迅速的相撞）盡管我們的太陽還能持續(xù)燃燒50億年，但其實(shí)許多大質(zhì)量恒星的燃料只能維持1億年的燃燒。

當(dāng)恒星的燃料即將用盡時(shí)，恒星開始逐漸冷卻，沒有了這些熱量去抵抗引力的吸引，恒星開始失去本來的形狀。

但是不是所有都會(huì)分崩離析。這些原子由費(fèi)米子——質(zhì)子、中子和電子組成。控制費(fèi)米子的規(guī)則之一被稱為泡利不相容原理，這個(gè)定理認(rèn)為沒有兩個(gè)費(fèi)米子可以處在相同的狀態(tài)中，用一種有趣的方式來說明在同個(gè)地方不會(huì)存在完全相同的東西做同樣的事。（玻色子則沒有這方面的問題，所以它可以使光子激光器正常運(yùn)行。）