錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

我們所認知的宇宙有多種天體,恆星是組成宇宙的最基本天體,佔據了可見宇宙總質量的99%以上。

為什麼說是可見宇宙呢?因為現代研究發現,我們宇宙中不但有星系、恆星、星雲等可見物質,還有大量的不可見物質,而且正是這些不可見物質主導牽制著宇宙的運行、膨脹甚至生死。

否則宇宙就不是現在這個樣子。

人們把這些目前無法看到的物質叫做暗物質、暗能量。

研究表明,暗物質和暗能量的總量佔宇宙總質量的95.1%,可見物質的總量只佔有4.9%。

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

今天不說暗物質暗能量,只說說宇宙中的恆星屍骸。

宇宙中任何物質都遵循生長衰亡過程,天體也不例外,恆星就有誕生、穩定和衰亡過程。

恆星的死亡大致有4種歸宿,即黑矮星、白矮星、中子星、黑洞。這些就是恆星的屍骸。

黑矮星是太陽質量0.5倍以下的恆星,即紅矮星死亡的歸宿。紅矮星壽命超長,短則數百億年,長的可達數萬億年。

紅矮星演化末期既不會發生爆發,也不會變成紅矮星,只會慢慢熄滅。

熄滅以後就是黑矮星。

由於紅矮星壽命特長,而我們宇宙到現在年齡才138億歲,因此迄今為止,沒有一個紅矮星出現老態,更沒有黑矮星出現。

因此,我們今天不說黑矮星,主要說說白矮星和中子星。

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白矮星和中子星存在的依據是什麼?

我們知道,宇宙中任何天體物質都受萬有引力定律約束,這個定律表達式為:F=GMm/r²。

這個定律的含義是,任何物體之間都會有引力F產生,這個F值的大小與物體之間M和m的質量乘方成正比,與物體之間距離r的平方成反比。G為引力常數,表達兩個1公斤物體質點之間1米距離所產生的引力,測得值為G≈6.67x10^-11N·m²/kg²。

任何天體的形成都是受這個定律約束的。恆星是由於星雲微粒之間的引力相互作用,越來越緊密聚集的產物,理論上任何物質會由於萬有引力越來聚攏,越來越緊密,並且無限的坍縮下去。

恆星是巨大天體,自身引力壓力巨大,具有一直坍縮的態勢。但核心在高溫高壓下激發了核聚變,巨大的輻射壓抵消了恆星自身的引力壓,就維持了一個平衡,這個階段就叫恆星的主序星階段。

恆星到了演化後期,核心核聚變能量耗盡,沒有了輻射壓抵抗恆星自身引力壓了,恆星在自身引力作用下,外圍物質就會急劇向中心坍縮。

這時物質微觀粒子的簡併壓就啟動了,這種簡併壓抵抗著恆星殘留核心的引力壓,就會形成一個暫時穩定的白矮星或中子星。

一般認為,質量大於太陽0.5倍到小於太陽8倍的恆星,死亡後的殘留質量會形成一個白矮星;而大於太陽質量8倍,小於太陽質量30~40倍的恆星,發生超新星大爆炸後,中心殘留質量會形成一顆中子星。

白矮星質量一般從太陽0.5倍到1.44倍,中子星質量不超過太陽的3.2倍。

由此可見,恆星死亡時,絕大部分質量會通過散逸或爆發迴歸太空,只留下一小部分成為至密天體。

這兩種至密天體都是由量子簡併壓支撐著自身巨大的引力壓而存在的。

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什麼叫量子簡併壓呢?

這是微觀粒子世界一個基本規律,是美籍奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利發現的,由此人們把它叫做泡利不相容原理。

這個原理認為在費米子組成的系統裡,不能有兩個或者兩個粒子處於完全相同狀態,它們在一起必然發生相互排斥的現象。

就像一群小孩子在一起玩耍,它們都不會讓別人靠近自己,一旦靠近就會努力推開。

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這樣在微觀世界就形成了一種壓力,這種壓力就是使原子核與電子之間留下很大空間,物體會變得很大的內在原因。

但天體本身沒有能量抗拒引力壓力時,就完全靠這種簡併壓起作用,竭力的頂住引力壓力,物體的原子雖然發生了變形,但還勉強存在於我們的世界。

電子、質子、中子都屬於費米子,因此都遵循泡利不相容原理。

白矮星就是依靠電子簡併壓支撐著天體自身的引力壓,保持了一個平衡;中子星依靠中子簡併壓抵禦自身引力壓保持一個平衡。

這兩種簡併壓不在一個數量級上,因此兩種天體所能抵禦的引力壓就完全不同。

這就是白矮星和中子星存在的根據。而所謂的錢德拉塞卡極限和奧本海默極限也就是根據電子簡併壓和中子簡併壓的壓力大小計算出來的。

這兩個極限是白矮星和中子星的生死線,一旦突破,就會發生性質的變化,就做不成它們自己了。

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

錢德拉塞卡極限是穩定的白矮星質量上限。

這個理論認為,白矮星質量到達太陽的1.44倍,就會發生質變。

這個質變就是電子簡併壓再也承受不了引力壓力,天體就會發生進一步的坍縮。

坍縮激發碳和氧的核聚變,內部熱失控導致大爆炸,這就是la型超新星大爆發,爆發後的結果要根據剩餘的質量,繼續坍縮成一箇中子星或著黑洞。

這個理論是印度裔天文物理學家蘇布拉馬尼揚·錢德拉塞卡計算出來的,因此以他的名字命名。

計算公式為:

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

這個理論基於:星體產生的熱會逼迫大氣外移,但當星體能量用盡,大氣會受到引力作用而坍塌回星體表面,星體小於錢德拉塞卡極限時,這個塌回會受到電子簡併壓的抵抗,而使白矮星保持穩定。

當質量高於錢德拉塞卡極限,也就是1.44個太陽質量,電子簡併壓就無力支撐引力壓力,而繼續坍縮成為一箇中子星。

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

奧本海默極限就是穩定的中子星質量上限。

美國著名物理學家尤利烏斯·羅伯特·奧本海默是上世紀著名的“曼哈頓計劃”領導人,組織領導發明了原子彈,被譽為“原子彈之父”。

奧本海默利用廣義相對論無轉動球對稱星體結構方程,以及理想費米氣體方程作為中子物態的物態方程,證明中子星存在一個臨界質量。

若大於臨界質量,中子星自身引力與中子簡併壓形成的平衡就會被打破,就不可能成為穩定的中子星,就會坍縮成更緻密的天體,如夸克星或黑洞。

人們把這個臨界極限叫做奧本海默極限。

但這個臨界極限一直沒有精準的數值。

現在人們認為這個質量極限約3個太陽質量。因此中子星是介於1.44~3個太陽質量之間的天體,在這樣的質量下,中子星依靠中子簡併壓支撐自身引力壓,保持了自身的一個穩定和平衡。

但有研究認為非旋轉中子星,其奧本海默極限在2.16個太陽質量。但迄今為止並沒有發現非旋轉的中子星,因此一般認為奧本海默極限約為3.2個太陽質量。

至於夸克星,迄今在宇宙中尚沒有發現,因此一般認為中子星超過奧本海默極限會坍縮成一個黑洞,除非發現另外的反證。

黑洞是宇宙天體的終極屍骸,一切通吃。一般認為大於太陽質量40倍的恆星,超新星大爆炸後會直接留下中心一個黑洞;中子星吸積或合併也會成為黑洞。

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

白矮星和中子星怎麼會長大超越極限呢?

白矮星和中子星實際上是原子已經被壓變形或者被壓碎了的物質組成的天體,其上面物質已經不是我們地球上所認識的118元素組成的物質了。

這兩種至密天體,密度已經變得非常大。白矮星物質每立方厘米達到10噸左右,中子星物質每立方厘米高達20億噸!

因此它們的質量與體積之比都變得很小,其表面引力就會變得非常極端,一般的天體物質只要靠近了它們的引力場,都會被撕碎吃掉。

而宇宙中,既有像我們太陽這樣的由一顆太陽組成的單恆星系統,也有不少雙星系統甚至多星系統。距離太陽最近的半人馬座a星就是一個三合星系統,天狼星是個雙星系統。

這樣,就可能存在一顆恆星先老死了,形成一顆中子星或者白矮星,而另一顆恆星壽命還沒有到頭,這兩顆恆星相隔不遠的話,就很容易發生白矮星或者中子星搶奪恆星物質的情況,科學術語叫“吸積”。

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限為什麼是白矮星和中子星的生死線?

天狼星就是由一顆白矮星和一顆藍矮星組成,今後很可能出現白矮星吸積爆發的結果。

通過吸積,白矮星或者中子星質量就會越來越大,達到了錢德拉塞卡極限或奧本海默極限,就會發生la超新星爆發,隨後中心繼續坍縮成更至密的天體。

除了這種吸積方式超越臨界極限,白矮星和中子星還常常玩“二人轉”,兩顆天體相互靠近發生碰撞,發生驚天動地的爆發,之後也會坍縮成更至密的天體,主要是黑洞。

這就是白矮星和中子星超越生死線的後果。因此白矮星和中子星雖然是恆星的屍骸,但不一定就是最終的屍骸,它們都還有可能“詐屍”或“借屍還魂”驚天動地一番,最終變成“終極屍骸”~黑洞。

到了黑洞,就到頂了,再也不會變成其他什麼天體了。

黑洞質量目前還沒有發現上限,這種宇宙頂級天體通吃一切,通過吸積只會越長越大,現在發現最大的黑洞質量達到太陽的660億倍。

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