从一百万到上万亿年,为什么恒星的寿命相差这么大?

我们都知道,世间万物都是由各种化学元素通过各种方式组合而成,而这些元素又都是由质子、中子和电子构成。这些基本粒子互相结合就形成了各种元素,一个质子加一个电子就构成了氢元素,因为氢元素结构简单,易于生成,所以宇宙空间中氢元素的含量是最多的。如果把更多的质子、中子和电子组合在一起,就会生成更重的元素,例如氦就有两个质子和两个中子,这个生成重元素的过程就是核聚变,核聚变发生时,会有小部分的物质转化为能量释放出来,这就是恒星发光发热的能量来源。​

我们再来看看恒星的生命历程,启动核聚变的条件是很高的,最简单的氢氦聚变都需要至少400万摄氏度的高温,在恒星诞生之初,大量的以氢元素为主的物质在引力的作用下聚集成原始恒星,随着原始恒星的体积和质量的增大,原始恒星就会在自身重力的作用下开始坍塌,并在其内部逐渐形成一个高温高压的内核,当达到核聚变的条件时,恒星就正式开启了它的光辉历程。

在每颗恒星的内部,都在上演着一场拉锯战,交战的一方为重力,它会使劲的将恒星向内压缩,另一方则为其核心核聚变产生的辐射力,它的作用方向与重力相反,这两种力量互相制约,使恒星处于一种流体静力学平衡状态。然而恒星的氢终有一天会消耗殆尽,当恒星内部的氢元素全部聚变成氦元素的时候,重力就占据了上风,恒星会进一步的坍塌,其核心的温度和压力也会跟着增加。

当恒星的内核温度升高大约1亿摄氏度的时候,新一轮的核聚变就被点燃了,在这一轮的核聚变中氦元素会聚变成组成生命的重要元素--碳和氧。氦的核聚变会在短时间内释放出几十万甚至是几亿倍之前氢的核聚变产生的能量,像我们太阳这种恒星的自身重力根本无法抵挡这种能量,它的体积会迅速增大,并释放出出巨量的光和热,这就是“氦闪”。但如果恒星的体积足够大,以上的核聚变将会逐级持续下去,并生成越来越重的元素,如氖、镁、钠、铝等,这个过程会一直持续到铁元素的出现。

由于铁元素聚变吸收的能量比释放的能量多,所以一旦恒星内核聚变出了铁元素,就无法再通过核聚变的方式来抵抗重力了。在这种情况下,大部分的恒星都会被自身的重力压得粉碎,而对于一些质量巨大的恒星,它们自身强大的重力会使恒星以极高的速度向内压缩,当到了极点的时候,这股能量就会释放出来,发生无以伦比的爆炸,当爆炸的冲击波与恒星的外层物质相撞时,会产生1000亿摄氏度以上的超高温,这就是“越新星爆炸”。这种爆炸是已知宇宙中最强的爆炸,而比铁更重的稀有元素也是由此而生,巨大的恒星在生命结束的时候,将它一生所形成各种元素洒向宇宙的各个角落。

超新星爆发

通过对以上知识的了解,我们就可以来分析为什么恒星越大,寿命越短的原因了。一颗恒星越大,其自身的重力就越大,而要维持恒星的平衡就必须要更多、更强的核聚变反应来支撑,因此恒星越大,其核燃料就消耗得越快,这是其中的一个原因。

另一个原因就是恒星的对流问题,一般来说恒星的内部物质是会对流的,可以用烧开水来简单解释一下,我们都知道,在烧开水时,锅底的水由于温度较高会不断的的底部移动到顶部,同时顶部温度较低的水则会移到底部。同样的,在恒星内部的高温物质也会随着辐射力向恒星表面扩散,同时恒星外围的物质则会下沉到核心,完成对流的过程。恒星内部的对流过程可以有效的使恒星外围的燃料进入到核心。

一颗恒星的对流越完整,它对核燃料的使用就越充分,相应的寿命就越长,反之亦然。当一颗恒星的体积比较大的时候,由于核心高温物质受到了自身强大重力的约束,恒星内部的物质就不能进行有效的对流,其外层物质就进不了核心进行反应,其核燃料的利用率就会很低。所以很多大型恒星在死亡时候,它本身的大部分核燃料都没有用完,而一些体积小的恒星则可以充分的利用自身的核燃料,达到“长寿”的效果。

离我们最近的红矮星--开普勒438

在广袤的宇宙中存在的众多恒星,它们的生命周期相差极大,其中超大质量的恒星的寿命仅为一百万看左右,而质量很小的恒星如红矮星,它的寿命则高达几十到上万亿年。由此可见,减肥是多么的重要。^_^

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