太阳 会 死亡 吗 ？红巨星 、中子星 和 黑洞 等 都是 哪来 的 ？李永乐 老师 讲 恒星 演化
各位 同学 大家 好 我 是 李永乐 老师
前 两次 我们 一直 在 研究 太阳 的 话题
有 小朋友 就 问 我 说 太阳 也 有 寿命 吗 它 会 死亡 吗
听说 了 白矮星 中子星 黑洞 跟 太阳 之间 有 什么样 的 联系 吗
今天 我们 就 来 研究 一下 这个 问题
我们 想 讲 一下 恒星 的 演化
恒星 是 如何 形成 的
它 最终 会 变成 什么
这 就 称之为 恒星 的 演化
人们 认为
最初 所有 的 恒星 都 是 由 一种 叫做 星际 云 的 物质 产生 的
什么 叫 星际 云 呢
星际 云 其实 就是 散落 于 宇宙 当中 的 一团 气体 或者 固体
这些 气体 或者 固体 有 氢 可能 还有 氦 这些 物质
那么 这些 个 物质 它 的 质量 分布 非常 非常 大
它 可能 有 100 光年 那么 大
它 的 质量 可能 有 600 万个 太阳 质量 那么 大
600 万倍 的 太阳 质量
它 的 质量 也 非常 大 它 的 这个 面积 也 非常 非常 大
那么 这些 个 物质 由于 万有引力 的 作用 就 会 收缩 就 会 收缩
在 收缩 的 过程 之中 它 就 会 逐渐 的 聚合
于是 它 密度 就 会 增大 压强 也 会 增大
在 引力 的 作用 下 它 就 会 收缩
而且 根据 一些 基本 的 物理 定律 比如 角动量 守恒
它 在 收缩 的 过程 中 可能 会 旋转
而且 在 旋转 过程 中 因为 速度 越来越 大
中心 的 这个 部位 温度 就 会 升高 就 会 升温
那么 温度 一旦 达到 了 某 一个 值 就 有 可能 会 引发 氢 的 聚变
一旦 产生 了 氢 的 聚变 一颗 恒星 就 诞生 了
这个 过程 我们 称之为 原 恒星
原 恒星 它 可以 引发 什么 聚变
一般 就是 氢 元素 它 有 可能 会 聚 变成 氦 元素
氢 元素 会聚 变成 氦 元素
那么 这个 过程 中 因为 质量 的 不同 所以 它 分为 好 多种 情况
我们 大概 分 一下
以 太阳 质量 为 标准
这是 0 倍 太阳 质量
这是 0.08 个 太阳 质量
这是 0.5 个 太阳 质量
这是 8 个 太阳 质量 以及 比 8 个 太阳 质量 更大
如果 这个 原恒星 它 质量 比较 小
那么 实际上 它 是 无法 引发 这个 聚变 的
它 就是 一个 失败 的 产物
我们 称之为 褐矮星 或者 叫 棕 矮星
那么 这种 星球 实际上 并 没有 形成 恒星
就 好像 说 生 了 个 孩子 结果 这个 孩子 发育 不 完全
一生 下来 就是 死 的 这 就 叫 棕 矮星
它 是 一颗 失败 的 恒星
那么 假如 说 这个 原恒星 的 质量 大于 0.08 个 太阳 质量
小于 0.5 个 太阳 质量 那么 这种 恒星 我们 就 称之为 红 矮星
为什么 叫 红 矮星 因为 它 的 质量 比较 小
所以 它 发 的 光 看起来 偏 红 就 红矮星
比如说 我们 比较 典型 的 比邻星 就是 红 矮星
这种 星 它 离 我们 最近 所以 叫 比邻星 大概 距离 是 4.2 光年
比邻星 这颗 星 它 虽然 说 发光 亮度 不高 但 它 寿命 长
一般 来讲 都 是 这样 质量 越 小 寿命 越 长
它 的 寿命 可以 达到 几百亿 年
但是 太阳 的 寿命 只有 一百亿年
所以 它 比 太阳 这个 寿命 高 很多
如果 质量 再 大 一点 超过 了 0.5 个 太阳 质量
但是 不到 8 倍 太阳 质量
它 发 的 光 就 偏黄 或者 是 黄白色 我们 称之为 黄矮星
那么 这个 黄 矮星 太阳 就 属于 其中 的 一类
它 的 寿命 大概 是 100 亿年 左右
如果 质量 再 大 一些 比 8 倍 太阳 质量 还要 大
那么 这种 恒星 我们 就 发现 它 是 偏 蓝色 的
所以 我们 管它 叫 蓝色 大 恒星 蓝色 的 一颗 恒星
这个 蓝色 的 恒星 质量 要 大得多 举例来说
人们 发现 有 一颗 这个 蓝色 恒星 给 它 命名 为 手枪 星
大家 知道 为什么 命名 为 手枪 星 吗
因为 我们 刚才 说过 一句话 质量 越大 寿命 越短
这个 蓝色 大 恒星 手枪 星 吧
它 的 寿命 大概 只有 1000 万年 左右
1000万年 比 我们 地球 上 生命 的 周期 还要 短
我们 现在 生命 出现 都 不止 1000 万年 了 对 不 对
所以 人们 说 这种 恒星 的 寿命 就 像 打 手枪 一样 快
所以 就 管 它 叫 手枪 星 就是 这样
因为 质量 不同
所以 它们 在 核心 部位 它 产生 的 这个 聚变 情况 也 不 一样
你 比如说 红 矮星 它 可能 只能 氢 聚 变成 氦
但是 你 像 黄矮星 因为 它 质量 比较 大
它 内部 的 温度 比较 高 达到 了 比如说 上 亿度
这样一来 它 聚 变成 氦 之后 还 可以 进一步 聚变
它 就 可以 聚 变成 碳
可能 还 能 去 变成 氧
蓝色 的 恒星 质量 更大 所以 它 聚变 更 强烈
它 还 可以 继续 往 下 聚变 一直 会 聚变 到 什么 呢
聚变 到 铁
所以 它 的 这个 情况 不太 一样
就 好像 人 有 出生 壮年 和 死亡 一样
那么 原恒星 就是 出生 而 中间 的 这 一排 我们 称之为 主序星
在 主序星 这个 阶段 就 好像 是 一颗 恒星 的 壮年
它 大概 占 了 整个 恒星 寿命 的 90% 的 时间
但是 到 了 晚年 的 时候 它们 又 会 有 什么样 的 演化
我们 再 拿 人 来 打比方
我们 知道 人 的 身体 其实 是 不停 的 产生 癌细胞 的
但是 为什么 人 还 壮年 的 时候 不得 癌症 呢
是因为 癌细胞 一 产生 人们 就 能 杀灭 癌细胞
免疫系统 会 杀灭 它
然后 再 产生 再 杀灭 对 吧
同样 道理 恒星 在 主序星 阶段 为什么 能够 稳定 的 发光 呢
因为 它 的 引力 和 聚变 这 两种 作用 是 相互 平衡 的
但是 到了 晚年 之后 因为 它 在 不停地 释放 能量
所以 质量 不停 的 减少 这个 引力 它 提供 的 控制力 越来越 弱
没有 办法 控制 聚变 所以 聚 变得 越来越 强烈
于是 像 太阳 这样 的 恒星 它 在 晚年 的 时候 聚变 太 强烈
脱离 了 引力 的 控制 就 会 膨胀 变成 红巨星
红巨星 什么样 比如说 我们 以 太阳 为 例
这个 太阳 它 周围 有 一些 行星
水星 金星 第三个 是 地球 对 吧
地球 在 这个 位置 现在 我们 感觉 地球 是 比较 适于 人类 居住 的
但是 当 太阳 到达 了 红巨星 这个 阶段 的 时候
太阳 半径 会 扩大 100 倍
也 就 会 把 地球 里边 的 这个 部位 全都 填满
地球 就 会 跑到 太阳 表面 上 这样一来 地球 会 被 烤化
所以 那个 时候 人类 也 没法 活 对 不对 那 怎么办
小说家 们 就 开始 发挥 想象力 了 比如说 刘慈欣
他 就 说 那个 时候 我们 要 把 地球 拽 跑 就是 流浪 地球 对 吧
还 有 人 说 我们 应该 那个 时候 移居 到 火星 上去
这个 时候 火星 正合适 对 不对 反正 不管 怎么样
当 太阳 晚年 的 时候 地球 确实 是 没法 居住 了
不过 大家 也 不用 担心 太阳 一共 有 100 亿年 的 寿命
现在 太阳 已经 活 了 46 亿年
我们 还有 54 亿 年 的 时间 可以 思考 我们 怎么办
就算 我们 移居 到 火星 上 这 其实 也 呆 不了 多久
因为 红巨星 的 时间 不会 很长 经过 一段时间 之后
因为 它 的 质量 不断 的 抛洒 然后 它 体积 越来越 大
所以 内部 的 核心 部位 它 的 密度 会 下降 温度 也 会 下降
于是 聚变 就 会 减弱 经过 一段时间 引力 会 重新 占上风
它 又 会 收缩 所以 膨胀 了 之后 又 会 收缩
这 就是 恒星 最后 的 一个 阶段
当 它 收缩 的 时候 外围 的 这些 物质 就 会 抛洒 到 宇宙 当中 去
这些 玩意 就 会 抛洒 到 宇宙 当中 去
而 这个 核心 部位 会 往 里 缩
核心 部位 往里 缩 这样一来 就 会 形成 两个 物质
外围 的 就 会 形成 一些 行星 状 的 星云
而 核心 部位 剩下 的 那些 物质 就 叫 白矮星
所以 白矮星 其实 是 跟 太阳 差不多 大 的 天体
它 在 聚变 的 最后 阶段 形成 的 一颗 星
白矮星 密度 非常 大
如果 把 太阳 装 到 一个 跟 地球 一样 大 的 盒子 里边
那么 太阳 的 密度 就 跟 白矮星 差不多 大
所以 咱们 可以 想象 这 白矮星 的 密度 有 多大 是吧
非常 非常 大
白矮星 是 靠 电子 的 简并 压 来 对抗 引力 的
那么 白矮星 经过 了 很长 很长 时间 之后
它 连 剩 的 那点 能量 也 没 了 就 再 也 看不见 了
但 它 质量 又 不够 不能 形成 黑洞
于是 就 会 形成 一个 在 宇宙 中 找不着 的 叫 黑 矮星
但是 这个 阶段 时间 非常 漫长
人们 经过 估算 认为 这个 阶段 可能 需要 几千 亿年
所以 到 目前 为止 宇宙 中 其实 还 没有 黑 矮星 白 矮星 倒是 有 不少
但是 因为 质量 有 差别
所以 其它 几种 恒星 演变 的 结果 跟 它 路径 并不 完全 一致
比如说 红 矮星 吧 它 会 跨过 红巨星 这个 阶段
直接 就 变成 了 白矮星 直接 就 变成 了 白矮星
而 蓝色 恒星 它 中间 会 经历 一个 叫做 红 超巨星 的 东西
红 超巨星 跟 红巨星 差不多
它 质量 特别 特别 大 体积 也 特别 特别 大 形成 红 超巨星
而且 它 的 聚变 很 厉害 我们 刚才 说 的 是 这样 的 一种 聚变
在 红 超巨星 形成 的 时候
它 最 外围 可能 是 什么 聚变 呢 是 氢 的 聚变
往 里边 一层 温度 再 高 一点 就 变成 了 氦 的 聚变
再 往 里边 一层 可能 就是 碳 的 聚变
再 往 里边 一层 可能 就是 氧 的 聚变
一直 往 里 最 核心 的 部位 是 什么 呢 是 铁
因为 铁 这种 物质 它 是 聚变 的 最终 产物
你 到 铁 这 是 一直 放 能 的 如果 你 要 铁 再 往 上 聚 就 吸 能 了
所以 它 最终 就 会 聚变 成 铁
聚变 了 一段时间 之后 引力 重新 占上风 开始 收缩
于是 它 会 把 其它 的 物质 向外 喷发
但是 这个 喷发 过程 比 刚才 咱们 所说 的 红巨星 放出 星云 要 厉害 的 多
它 会 形成 所谓 的 超新星 爆发
Supernova 超新星
超新星 就好像 说 我们 平时 看不到 它
但 它 一 爆发 我们 就 看见 它 了
所以 人们 就 管 它 叫 新星
因为 它 特别 特别 亮 就 叫 超新星
在 公元 1054 年 的 时候
我们 宋朝 天文学家 记录 了 一次 超新星 爆发
那个 超新星 爆发 其实 现在 我们 知道 了 就是 蟹状 星云
就是 蟹 状 星云
蟹 状 星云 就是 由于 超新星 爆发 之后 剩下 的 一大堆 残骸 构成 的
那么 它 中间 的 核心 会 收缩 会 形成 什么 呢
会 形成 一种 比 白矮星 密度 更大 的 天体 叫 中子星
我们 之前 说过 白矮星 它 对抗 引力 其实 靠 的 是 电子 简并 压
电子 简并 压 就是 电子 满足 泡利 不相容 原理
它 不能 处于 同一个 状态
所以 这种 对抗 的 压力 可以 对抗 引力
但是 到了 红巨星 这 因为 它 的 引力 实在 太 强大 了
就 连 电子 简并 压 都 屈服 了 于是 怎么办
于是 电子 就 会 钻 到 质子 里面 去
电子 钻 到 质子 里面 去 之后 变成 了 中子
于是 会 形成 一个 由 中子 构成 的 这个 星球
这个 星球 的 密度 比 白矮星 还要 大
如果 我们 把 太阳 装 到 一个 城市 那么 大 的 空间 里面
它 就 会 变成 一颗 中子星 它 的 密度 是 非常 非常 大 的
如果 这个 蓝色 恒星 质量 再 大 一些
那么 就 会 形成 一个 更加 神奇 的 天体 就 称之为 黑洞
所以 到 了 白矮星 中子星 黑洞 这
那么 这个 恒星 的 寿命 就 结束 了 也 就 相当于 人 就 死亡 了
那么 也许 有人 就 说 了 说 你 看 这个 最后 一个 恒星 就 死亡 了
那 新 的 恒星 如何 形成 呢
你 看 一下 在 这个 过程 之中 其实 是 有 星云
也 就是 一些 星际 物质 放 出来
而 红 超巨星 这个 形成 的 时候 会 形成 超新星 喷发
超新星 喷发 会 形成 很多很多 种 元素
包括 一些 原子 序号 在 Fe 之后 的 元素
因为 超新星 喷发 时 它们 会 彼此 碰撞
有 可能 会 使得 一些 吸能 的 反应 也 能够 发生
就 会 形成 很多很多 的 元素
那么 这些 个 元素 会 怎么样
会 重新 回到 宇宙 中 再 回到 这个 星云 这个 物质 上
重新 慢慢 聚合 形成 一颗 新 的 恒星
我们 认为 太阳 其实 就是 在 某 一次 超新星 爆发 的时候
所 产生 的 星际 云 这个 星际 云 逐渐 引发 了 这么 一套 反应
于是 就 形成 了 太阳
我们 现在 正好 处于 主序星 这个 阶段
于是 也 产生 了 人类 和 生命
那么 之后 总有一天 太阳 变成 红巨星 白矮星 然后 变成 黑矮星
那么 这个 太阳 结束 了
不过 那个 时候 又 会 有 新 的 这个 恒星 形成
我们 又 可以 找到 一个 新 的 家园 了
所以 最终 恒星 的 宿命 就是 变成 黑 矮星 中子星 或者 是 黑洞
其实 宇宙 是 非常 非常 奇妙 的
人们 对于 宇宙 其实 所 知道 的 还 很 少
但是 很多 科幻小说 家 都 喜欢 用 宇宙 这个 题材
比如 咱们 看 那个 电影 里面 演 的 有 一个 叫 雷神之锤
这个 雷神 之 锤 只有 雷神 能够 拿得动 其他人 都 拿 不动
你 知道 为什么 吗
因为 他 说 雷神之锤 是 用 一颗 垂死 之 星 的 核心 造成 的
什么 是 垂死 之 星 现在 你 明白 了 吧
垂死 之 星 其实 就是 白矮星 或者 是 中子星
那么 白矮星 和 中子星 密度 都 非常 大
所以 不管 你 用 白矮星 的 核心 做 还是 用 中子星 的 核心 做
这个 锤子 都 非常 非常 重 所以 他 就 提不起来 对 不 对
所以 这种 科幻小说 它 是 有 一定 的 物理学 的 道理 的
最近 我 也 写 了 一本书
不过 是 科普 的 书 叫做 《 十分钟 智商 运动 》
现在 在 各大 电商 都 可以 买到
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