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為什麼有的超新星爆發後什麼都不會留下?


星辰大海的種花家為什麼說恆星的質量越小,壽命越長,而大質量的卻剛剛相反?可能這才是大家困惑的地方,一般來說恆星的質量表示了其燃料的儲備量,質...

- 2019年5月23日18時00分
- 科學文摘 / 星辰大海的種花家

星辰大海的種花家

為什麼說恆星的質量越小,壽命越長,而大質量的卻剛剛相反?

可能這才是大家困惑的地方,一般來說恆星的質量表示了其燃料的儲備量,質量越大那麼很明顯其氫元素就越多,那麼能夠供給燃燒的燃料也就越多,但對於恆星來說,卻是反其道而行之,質量越大壽命越短,以太陽質量為例,壽命大約是100億年,但質量更大藍特超巨星卻只有數千萬年,而像比鄰星這樣的紅矮星卻高達數千億甚至上萬億年,造成這個結果的主要有兩個因素:

一、大質量恆星的溫度升高是其中一個重要原因


質量大代表燃料多,但也有一個非常現實的問題,質量越大代表核心處的溫度也就越高,能夠提供核聚變反應的區域也就越到,簡單的說就是消耗燃料的爐子變大了,當然這抵消了因質量增加而帶來的紅利!

二、另一個最關鍵的因素是恆星結構

導致恆星壽命過短的因素恆星的內部結構,與各位想像的不一樣,大質量的恆星和小質量的恆星儘管發光原理是一樣的,但結構卻完全不一樣,也許我們得分成三種類型來理解:

1、大於80%太陽質量的恆星

這種恆星有一個特點,恆星內核處有一個對流層,而且這個對流程占整顆恆星的比例並不大,整體上來說,再大質量的恆星,這個對流層的比例並不會無限擴大,而是逐漸趨於一個平衡!對流層的外側是輻射層!


2、小於80%但大於40%太陽質量的恆星

這種恆星的特點是有輻射層也有對流層,但對流層占了整顆恆星的大部分

3、小於40%但大於10%太陽質量的恆星

當然10%是恆星最基本的門檻,因此大於10%是必須的,否則就成不了恆星了!這種恆星有一個與眾不同的特點是沒有輻射層,整顆恆星都是除內核外就是一個對流層!

為什麼要將這三種類型著重說明是因為,恆星能燃燒的燃料都在這個對流層以內,除此之外其他區域的氫元素交換到內核燃燒的比例是極低的,因此當恆星質量逐漸加大,溫度增加,但真正能供給燃燒的燃料卻還是維持原來的水平時,恆星的壽命減短則是必然的!

在太陽質量的80%-40%階段內的恆星,由於其也有輻射層,但輻射層的比例很低,因此這種恆星的燃料利用率還是比較高的!

而小於40%的恆星則整顆恆星都完全沒有輻射層,並且由於內核溫度剛好可以滿足氫元素聚變,因此緩慢燃燒加上氫元素的徹底利用,導致它的壽命極高!

但這三者之間,最穩定的是太陽質量的80%-40%之間的恆星,第一種由於質量比較高,內核在氫元素聚變階段結束後還會有氦元素聚變,但劇烈聚變的氦元素將導致恆星膨脹成紅巨星,因此這種天體是不穩定的!

而小於40%太陽質量的恆星,由於整個恆星都處在對流層之內,因此這種恆星的狀態同樣是不穩定的,2016年3月,Evryscope觀測到了比鄰星耀斑的爆發過程,十秒鐘之內,比鄰星的亮度上升了1000倍,直接達到了肉眼可見的程度,假如按太陽的爆發規模來算的話,這絕對能達到令地球流浪的超級氦閃!因此Proximab上即使有生命,也可能已經被摧毀!


天倉五的宜居帶分布,比太陽系更靠近一些!

介於兩者之間(40%-80%太陽質量)的恆星則是最穩定的,由於其輻射層阻隔,表面活動相對比較小,是最適合文明生存與發展的恆星,距離地球12光年外的天倉五就是這樣一顆恆星,不過比較可惜的是它周圍的存在比較寬的小行星帶,簡單的說天倉五儘管恆星發展極度完美,但行星可能發育不良,並沒有徹底清理軌道上的小行星!

三、超大恆星是怎麼死亡的?

在大家的印象中,恆星總是會膨脹成紅巨星,然後最後在超新星爆發中了卻一生,但事實上超過太陽40倍質量的恆星並不會膨脹成紅巨星,例如一顆碳氧內核質量為64-144M⊙(太陽)的恆星在碳氧聚變階段內核溫度會上升到極高的程度,而極高能量狀態下的γ光子會產生正負電子對,請不要以為正反物質湮滅能量會更大,恰恰相反兩者湮滅能量要小於形成它們的光子,因此內核會變得極不穩定,最終將輻射壓無法對抗引力導致整顆恆星結構崩潰,跟超新星爆發一樣,但這種狀態下內核並不會剩下什麼物質,例如中子星和黑洞等統統不存在,僅僅是一團星雲而已!

請注意是碳氧內核質量要達到64倍太陽質量以上,但大麥哲倫星系蜘蛛星雲中的R136a1(觀測到質量最大的恆星,太陽的256倍)未來碳氧內核可能都達不到50倍太陽質量,因此這種直接超新星爆發啥都麼有的極超超新星可能是相當少見的!當然還有一種Ia型超新星爆發也只會留下一片星雲(白矮星吞噬伴星物質超過錢德拉塞卡極限導致超新星爆發)

因為這種超過愛丁頓極限的藍特超巨星並不多見(愛丁頓極限:恆星輻射壓和引力坍縮對抗的極限平衡點,一般認為是太陽質量的150倍),它的未來是會在Ib或者Ic型超新星爆發中直接形成黑洞


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