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恒星是如何形成和毁灭的?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-04-08 09:30:43

如果你想知道天文学里的事情是怎么发生的,答案通常是重力。它常常直接或间接地驱动着宇宙中发生的一切。
 

恒星的形成


银河系中的恒星是由气体和尘埃组成的星际云团凝结和坍缩而形成的。银河系是一个螺旋星系,一个扁平的圆盘状星系,它有两个突出的旋臂,从星系圆盘的中心旋转到边缘。这些旋臂可以被认为是宇宙的交通堵塞,就像恒星,气体,以及任何在银河系轨道上的东西进入这些旋臂并被阻塞,直到它从另一边出现。旋臂不是固体结构;物资在这些地区进进出出。YouTube上的一幅漫画展示了这一基本思想。

在这些宇宙的交通堵塞中,气体和尘埃被收集起来。当你在一个地方有质量时,它会对周围的气体产生强大的引力。如果你有足够的气体,它的引力就会强大到足以使这些气体云开始凝结。这些云的区域将碎片变成更小的块,这些块可能会继续凝结或坍塌。你最终会得到这样的结构:

恒星是如何形成和毁灭的

这是玫瑰状分子云的一部分。你可以看到云层中的气体是块状的,而且有些区域的气体似乎比其他区域多。

当气体凝结时,重力想把所有东西拉到一起的愿望被来自气体的压力所抵消。当你有随机运动的气体(“热运动”)时,这些气体粒子偶尔会相互碰撞,并对彼此施加压力。你可以想象一个吹胀的气球:气球本身的表面张力想要把气球收缩回它瘪掉的形状,但气球内部空气的压力使它继续膨胀。如果你把空气放出去,气压就会变弱,气球就会收缩。

压力的强度取决于气体的密度和温度。物质越多,碰撞就越多。气体越热,“砰!”每次碰撞都有。尘埃是一个救星(是的,太空中也有尘埃,它与你想到尘埃时的想法非常相似)。尘埃非常善于从气体中吸收能量,如果你从气体中吸收能量,气体就会冷却下来。尘埃以弱红外辐射的形式释放出这种能量,并逃逸到太空中。因此,总的来说,气体的能量损失了,系统冷却到绝对零度以上约10度。那很冷!这使得气压变弱,在某些地区,引力最终会胜出,导致气体凝结成恒星。这个的准确标准是牛仔裤标准,它说需要多少质量才能使重力最终战胜热压力。

引力最终可以将一个气体区域压缩成一个小而紧凑的物体(原恒星)。当气体冷凝时,它开始升温。只要有足够的质量(至少是太阳质量的8%),这些原恒星的中心就会变得足够热,从而可以开始核聚变。这需要大约1500万开尔文的温度(如果你愿意,你可以把它转换成摄氏度或华氏度,但这是很多!)一旦这些恒星的中心开始核聚变,热压力和重力之间的战斗就会再次开始,但这一次,核聚变能够保持恒星足够热,这样热压力就可以支持恒星不会变得更小。如果你曾经想知道为什么太阳的引力没有导致太阳凝结,这就是原因;它自身的热压足以支撑自己对抗自身的重力。在中心是1500万开氏度,这个温度在表面下降到几千开氏度。一旦核聚变开始,我们就称这些物体为恒星。
 

恒星死亡


恒星通常会在那里待上几十亿年。确切的时间长短取决于有多少质量:较大的恒星寿命较短。这似乎违反直觉,因为更大的恒星有更多的物质在中心融合。这是真的,它们确实有更多的燃料,但事实证明,它们燃烧燃料的速度更快,最终寿命比较小的恒星更短。我们的太阳大约已经过了一半的寿命,还剩下大约50亿年的燃料。

这个核聚变过程最终将恒星中的氢转化为氦。这个过程释放能量,使恒星保持热,并提供能量,最终以辐射的形式离开恒星。但是一颗恒星不会把它所有的氢变成氦,就像这里的其他帖子暗示的那样。恒星中只有一小部分的氢转化为氦;也就是说,只有位于恒星中心的氢才有足够的温度发生聚变。表面的氢太冷了,无法进行核聚变,在恒星的整个生命和死亡过程中,它都将保持氢的状态。

一旦恒星中心的燃料耗尽,热压力就失去了能量来源。中心不再产生能量,这使得气体没有能量储备来保持它在极高的温度下。所以恒星开始冷却,恒星的压力开始减小。重力抓住了这个机会(在整个过程中重力从未关闭,它总是试图将恒星压缩到越来越小的尺寸),恒星的中心开始收缩。当它这样做时,它会加热并开始向恒星释放能量。这个过程导致恒星的表面膨胀,恒星膨胀成红巨星或超巨星。恒星中心,随着温度升高,可能会重新开始聚变过程,开始将更多的氢聚变成氦,或者,如果恒星足够大,就会开始吸收氦,并将其聚变成其他元素,如碳、氮和氧。你在元素周期表上走得越远,聚变所需的能量就越多。但是一旦你得到镍和铁,就会发生一些事情。

像我们的太阳这样的恒星会将氢聚变成氦,然后开始将氦聚变成碳和氧。一旦核心的氦耗尽,它将永远无法达到重启聚变的温度。重力最终获胜。没有什么能帮助核心保持热度,引力会使恒星越来越凝聚(与此同时,恒星的表面正在越来越膨胀)。最终的中心恒星变成白矮星,的原因我不会进入这里(但如果你好奇问),和恒星的表面气体飘走(这漂流气体通常被称为行星状星云,即使与行星…这有点用词不当)。对他们来说,这就是故事的结局。

更大的恒星可以重新开始聚变过程,聚变其核心的元素,直到镍和铁。在这个时候,聚变停止释放能量,也就是说,为了聚变的发生,恒星必须为聚变过程提供能量。这与它想要做的完全相反;它希望能量被释放出来,这样它就能保持高温,并阻止重力导致它坍缩。所以在这一点上,核聚变停止了,一个镍和铁的球开始形成。球周围的温度仍然足够高,其他元素可以聚变,所以剩下的氢和氦等继续聚变,形成重元素。

一旦铁和镍组成的球变得太重(超过太阳质量的1.4倍),球就会坍塌。没有什么能阻止重力,镍原子和铁原子或多或少地挤在一起。这导致这些原子的原子核分裂,质子和电子结合在一起,变成中子,在很短的时间内释放出难以置信的能量。其结果就是超新星爆炸。释放的能量将恒星的其他部分炸开。一天结束时,会留下一颗密度很大的中子星(一个中子球)。在极端情况下,这个中子球会进一步坍缩成黑洞。
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