宇宙中的「超級虛胖子」:比太陽大100億倍,密度卻低得令人吃驚

2023-11-02     魅力科學君

原標題:宇宙中的「超級虛胖子」:比太陽大100億倍,密度卻低得令人吃驚

太陽的半徑大約有69.6萬公里,而地球的半徑卻只有大約6371公里,簡單計算一下可知,太陽的體積大約是地球的130萬倍,就算將球體堆積問題也考慮進去,太陽也能輕鬆裝下100萬個地球。

對於我們人類來講,太陽無疑是龐大得令人生畏,但在浩瀚的宇宙中,太陽的「個頭」其實也不算大,而與那些特別大的恆星相比,太陽甚至可以說是渺小得不值一提,比如說在天空中位於盾牌座方向、距離我們大約2萬光年的位置上,有一顆恆星就比太陽大100億倍。

這顆恆星就是「史蒂芬森2-18」(Stephenson 2-18),觀測數據表明,它的半徑大約是太陽的2158倍,這是什麼概念呢?這樣說吧,假設我們將地球縮小到一個籃球那麼大,那麼按同等比例縮小的話,太陽的半徑就是大約13米,而「史蒂芬森2-18」則是一個半徑大約有28公里的巨大球體。

如此巨大的體積,使得「史蒂芬森2-18」成為了已知體積最大的恆星,然而這顆恆星卻是宇宙中的一個「超級虛胖子」,儘管它的體積比太陽大100億倍,但它的密度卻低得令人吃驚,根據天文學家的估算,它的質量大約為太陽的12至16倍,也就是說,其平均密度最多也就只有太陽的百分之0.00000016。

那麼,宇宙中怎麼會存在「史蒂芬森2-18」這樣的「超級虛胖子」呢?其實這是可以解釋的。

我們知道,恆星的能量來自於其內部的核聚變反應,由於氫是宇宙中丰度最高的元素,並且氫發生核聚變反應所需要的條件是最低的,因此在一顆恆星形成之後,其內部的核聚變首先就是以氫元素作為「核燃料」。

恆星的核聚變所需要的高溫,其實是由恆星自身的引力坍縮來提供的,恆星的質量越大,自身的引力就越強,溫度也越高,其核心反應區的核聚變也越激烈,當質量達到一定程度時,核聚變反應所釋放出的能量,就會形成一個「輻射層」,這會阻止恆星的外層物質進入到其核心反應區。

從理論上來講,當恆星的質量超過太陽的0.5倍時,其內部就會形成「輻射層」,這就意味著,如果一顆恆星的質量達到這樣的程度,它在此階段中就只能使用其核心反應區中的氫來進行核聚變,而其外層物質中的氫則不會參與其中。

當核心反應區的氫耗盡之後,其中的物質就基本上都是氦元素,它們中的少部分是恆星原本自帶的,大部分是氫核聚變的產物,由於此時核心反應區的溫度沒有達到氦的核聚變所需要的條件,因此恆星核心的核聚變就停止了。

核聚變停止了,恆星內部就失去了抗衡引力的力量,在這種情況下,恆星的體積就會不斷收縮,其核心的溫度也會隨之持續升高,當達到一定程度的時候,恆星核心外側邊緣的氫就會發生核聚變,而其產生的高溫又會「點燃」更外層的氫,從而在更多大的範圍內引發一系列猛烈的氫核聚變反應,這也被稱為「氫殼層核聚變」。

需要指出的是,恆星的核心反應區域其實並沒有想像中的那麼大,比如說太陽的核心反應區,其半徑就只占了整個太陽半徑的大約4分之1,所以當「氫殼層核聚變」發生時,會有大量的氫參與到核聚變之中,其產生的能量其實是非常巨大的,這會使恆星的體積迅速膨脹,就像吹氣球一樣。

在「氫殼層核聚變」發生的同時,由於恆星核心仍然沒有抗衡引力的力量,因此恆星核心會繼續收縮,其溫度也會繼續升高,當達到一定程度時,氦的核聚變就會被「點燃」,其釋放出的能量也將推動恆星的體積進一步增大,而在這個時候,恆星也就脫離了主序星階段,演化成了一顆「紅巨星」。

像太陽這樣的中等質量恆星,也就到此為止了,當其核心的氦消耗殆盡之後,核聚變也就不會再進行,但對於超過8倍太陽質量的大質量恆星來講,在氦的核聚變完成之後,還會繼續「點燃」一輪又一輪的核聚變,並生成越來越重的元素,如碳、氧、氖、鎂……

與主序星階段的氫核聚變相比,這一系列的核聚變所釋放出的能量密度更高,也更猛烈,而大質量恆星的外層,也有更多的氫發生「氫殼層核聚變」,在巨大能量推動下,恆星就會膨脹到一個非常巨大的尺度,成為一顆「紅超巨星」,由於演化過程中,恆星的質量並不會變大,反而會出現一定的流失,其密度當然就會低得離譜了。

是的,「史蒂芬森2-18」其實就是一顆「紅超巨星」,實際上,宇宙中像它這樣的「超級虛胖子」,其實已經進入了「暮年」,為什麼呢?

簡單來講就是,恆星的核聚變是有盡頭的,由於鐵的核聚變並不會釋放能量,反而會吸收能量,因此當恆星的核聚變進行到鐵的時候,恆星就會因為失去了抗衡引力的力量而發生災難性的塌縮,進而發生猛烈的爆炸,這也被稱為「超新星爆發」。

在所有已知的元素中,氫的核聚變是最緩慢、最持久的,而元素越重,核聚變反應的速率也會指數級地提高,其持續時間會比氫短得多,對於「紅超巨星」來講,其核心的「核燃料」已經不是氫,而這也就意味著,它們的「生命」已經快要結束了。

根據科學家的估算,在未來的幾百萬年時間裡,「史蒂芬森2-18」就會發生「超新星爆發」,在此之後,它留下的殘骸可能會演化成一顆中子星,或者一個黑洞。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-hk/1cd371cf128876fb67fa737f1e608156.html