恆星演化的兩個重要極限,一人因此榮獲諾貝爾獎!

在先前的文章中,我們曾提到“太陽的壽命約100億年,而目前正處於中年時期,也就意味著大約50億年後,太陽將會死亡”。

其實準確來講,太陽只是結束了它在主序星時期的時間,此後它將以白矮星的身份繼續存在著,並且科學家曾一度認為白矮星是所有恆星的最終歸宿……直到一個人的出現。

恆星演化的兩個重要極限,一人因此榮獲諾貝爾獎!

蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡(1910—1995)

他是一位印度裔物理學家(近代歷史上,印度出過不少一流科學家,比如拉曼、拉馬努金、玻色等,其中拉曼還是錢德拉塞卡的叔父),因其在星體結構和進化等研究中做出重要貢獻(其中最出名的莫過於咱們現在常說的“錢德拉塞卡極限”),而榮獲了1983年諾貝爾物理學獎。

但這一路走的卻是非常曲折。。。

1930年,年輕的錢德拉塞卡以優異的成績獲得了政府獎學金,取得了前往英國劍橋大學留學的機會,大學時就對天文學極其感興趣的錢德拉塞卡,選擇的導師就是當時名極一時的亞瑟.愛丁頓,沒錯就是那位通過實驗驗證了愛因斯坦廣義相對論對星光偏折預言的著名科學家。

在坐船前往英國的漫長旅途中,由於實在無聊,錢德拉塞卡決定找些事做做,很快他就將目標對準了天上的太陽。

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當時知道恆星的內部的反應是核聚變,而中心氫原料耗盡時,會經歷一個紅巨星的過程,隨後在內核形成一種被稱為白矮星的天體。形成後的白矮星擁有驚人的高溫,以至於內部原子不能保持平常的結構,而以電離的狀態存在著,如果用一幅畫面表示,你會看到排列非常緊湊的原子核被一群電子“氣體”包圍著,但由於泡利不相容原理,就導致了一種被稱為電子簡併態的狀態出現,而這種狀態產生的壓強足以與外部的引力相抗衡,於是就阻止了星體的進一步坍縮。

這種理論的出現很好的解釋了為何白矮星能夠穩定存在的謎團,並且使得科學家們一致認為白矮星是所有恆星最終的歸宿。但錢德拉塞卡注意到,這樣的解釋雖然合理,但卻沒有考慮相對論的影響,如果將相對論考慮進去會怎麼樣呢?

錢德拉塞卡隨即投入計算工作中,結果很快出來,令人意外的是,錢德拉塞卡發現電子簡併壓竟然是有限度的,如果星球的質量超過一定程度,電子簡併壓就將被衝破,導致星球繼續坍縮。

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(實際上這就是著名的錢德拉塞卡極限,一個白矮星的質量若超過1.44倍太陽質量,將無法保持穩定,會進一步坍縮)

帶著這個成果來到英國後,錢德拉塞卡興致沖沖的告訴了自己的導師愛丁頓,沒想到一盆冷水澆了過來,愛丁頓在一次公開講座上嚴肅反對了錢德拉塞卡的理論,不僅如此,甚至還將他的論文一撕兩半……(英國人的紳士風度哪去了)

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亞瑟.愛丁頓

很顯然,這對於當時年輕的錢德拉塞卡來說,無疑是一個沉重的打擊,造成了很大的傷害,甚至使得他當時離開了相關研究的領域,隨後也只是將論文找了一份雜誌發表了事。並且這場爭論遠沒有結束,愛丁頓隨後多次在公開場合批評錢德拉塞卡的理論。

而且由於愛丁頓名聲太大,當時甚至沒有人敢明確提出反對意見,這樣的情況導致錢德拉塞卡在後來的幾年內,都沒能在英國找到合適的職位,於是只好在1937年離開了這個是非之地,前往美國發展了。

雖然錢德拉塞卡當時沒有緊接著對此繼續研究下去,但關於白矮星坍縮的故事並沒有結束。在1932年,詹姆斯·查德威克在α粒子轟擊實驗中證實了“中子”的存在(沒錯,科學家直到上世紀三十年代才發現了中子)。

這一消息在被朗道(1908—1968)得知後,隨即預言了中子星的存在。

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青年朗道

很顯然,在錢德拉塞卡極限之後,白矮星並不會無限制的坍縮下去,在中途它會遇到類似於電子簡併壓的抵抗存在,那就是中子簡併壓。因為泡利不相容原理對費米子管用,所以當電子被強大的壓力給塞進質子後,導致質子變成為中子,而中子在不相容的作用下,產生了這麼一個足以抵抗強大引力的中子簡併壓。不過中子星的發現卻晚了預言三十多年,這就是後話了。

時間來到了1936年,奧本海默意識到(沒錯,就是造原子彈的那位),如果白矮星的穩定有個極限質量,那麼中子星是否也存在這麼一個極限質量呢?

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奧本海默

這一算也出來了一個結果,發現中子星的最高質量不能超過0.7倍個太陽質量。說到這,可能有些朋友奇怪了,這好像不對吧?沒錯,當時奧本海默算出來的結果確實錯了,在隨後的修正下,這個中子星質量極限被提高到了約2到3倍太陽質量之間,也就是在此種情況下,中子星能保持穩定,於是這個結論就被稱為“奧本海默極限”。

中子星如果繼續坍縮,那結果就是黑洞了,就同之前的一篇文章所講,黑洞是一個極端存在的天體,它的引力作用非常強,以至於導致存在了一圈被稱為事件視界的範圍,包括光在內的任何物質,一旦涉足,就沒有機會再逃出來了。

但也有科學家提出,或許在黑洞和中子星之間還存在著夸克星,它是中子被“壓碎”後,突破了夸克禁閉而導致夸克簡併態的產生,這樣一來,又能繼續阻止星體坍縮為黑洞的命運。不過這個結論是懸而未決的,一般來說,對於恆星死後發生的演化,我們只認為三種結果:白矮星、中子星以及黑洞。

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總的來說,錢德拉塞卡年輕時的研究成果為人類對恆星演化打開了一扇新的大門,有了錢德拉塞卡極限的思路指引,才有了奧本海默極限的出現。

雖然當時遭受了愛丁頓無情的打壓,但這一偉大的成果終究會被世人所發現,時間一晃就是53年,73歲的錢德拉塞卡終於因其對星體結構和進化研究的重要貢獻,而獲得了1983年的諾貝爾物理學獎。

本篇文章的內容到此結束。

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