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从物理学角度解释恒星坍缩的几种命运

作者:云淡风轻Sci

在太空中,能够自发进行核聚变反应的天体,被称为恒星。恒星也有完整的一生,从诞生、发展、衰退直至寿命结束。

恒星坍缩后有几种结局,白矮星、中子星、黑洞,究竟是哪一种结局取决于恒星的质量。

下面从物理学的角度解释一下原因。在恒星的晚年,核聚变逐渐停止,巨大的引力引发恒星的坍缩。如果没有抵抗坍缩的力,坍缩会一直进行下去。所幸的是,粒子间的简并力在拼命地抵抗坍缩的继续,恒星质量不同,简并力不同。

当恒星的质量在1.44倍太阳质量以下的时候,死亡的恒星发生引力坍缩,抵抗坍缩的力是电子间的简并压力,电子简并压力阻止恒星的继续坍缩。电子的简并压力是什么?那是因为恒星体积下降后,导致两个电子距离非常近,试图占据同一量子态,泡利不相容原理不允许两个相同的半整数自旋的粒子(电子、中子、质子等其他费米子)同时占据相同的量子态,因此产生了一种抵抗压缩向外的压力。一颗太阳质量大小的白矮星,其体积只和地球一般大,密度非常高。1立方厘米的白矮星,其质量高达10吨。我们地球的密度1立方厘米只有5.5克。

从物理学角度解释恒星坍缩的几种命运

如果恒星质量超过了太阳质量的1.44倍,尚未达到3倍。那么,这个恒星核在坍缩过程中超过了“钱德拉塞卡极限”,电子简并力抵抗不住巨大的坍缩引力了,开始下一轮的坍缩,此时原子被压碎,其核外电子无法承受引力坍缩力被挤进了原子核,与核内质子合并成为中子。此时,中子间巨大的简并压力抵抗恒星的继续坍缩,达到一种平衡。坍缩后的残骸叫做中子星。中子星密度非常高,直径不过几十公里。1立方厘米的中子星,其质量甚至可以高达10亿吨,是白矮星的1亿倍!

从物理学角度解释恒星坍缩的几种命运

如果恒星的质量继续增大,中子的结构也会被巨大的引力坍缩压破坏,此时的天体由夸克、胶子组成,抵抗恒星的继续坍缩的力转为夸克间的简并压力,这时恒星的残骸叫做夸克星。夸克星只是理论上的推测,目前尚未观察到。

如果恒星的质量再继续增大,巨大的坍缩引力把夸克也摧毁了,将所有物质压缩到一个没有任何体积的点,这时恒星坍缩后的残骸就是黑洞。黑洞的质量集中在一个奇点上,由于没有体积,黑洞的密度是无限大。

从物理学角度解释恒星坍缩的几种命运

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