宇宙中是否存在不發光的恆星?

物理 宇宙 天文 地球 星空天文 2017-05-09

宇宙中是否存在不發光的恆星?

滿天的繁星,是否有一天會全部熄滅?- José Luis Quiñones / APOD

130多億年前,宇宙間的第一顆恆星被點燃。從此後,原本黑暗的宇宙逐漸充滿了光明。

恆星是星雲坍縮的產物。星雲的密度是不均勻的,密度大一點的地方,引力也大一點。因此物質在這些地方越聚越多。物質的密度和質量超過臨界點後,這些地方的核聚變就開始了,恆星就誕生了。

宇宙中是否存在不發光的恆星?

恆星及行星系統的誕生過程。

恆星就好像一個個火把,照亮了黑暗。它們都產生光和熱。只不過火把的燃燒是分子間的化學反應,而恆星的燃燒是原子核間的聚變反應。恆星和火把一樣,燃料是有限的,它們都有熄滅的一天。

恆星以氫為主要燃料。如果它們的質量足夠大,那麼一旦氫燃料耗盡,前一階段聚變的副產品——氦,就會取代氫的地位,把聚變反應進行下去,維持恆星的相對穩定。就這樣,一個階段一個階段地,較輕的元素被一步步地聚變成較重元素,直至新生成的元素,不足以在其內部環境中繼續聚變。聚變反應的停止,導致能量產生的終止。恆星會在瞬間失去穩定,它的身體無法承受引力之重,隨即坍塌。堅硬的內核會把內突的物質向外猛烈地反彈,製造出宇宙間最為壯觀的天體現象之一——超新星。

宇宙中是否存在不發光的恆星?

哈勃太空望遠鏡拍攝的超新星1987A。

質量較小的恆星性情溫和。臨終的它們逐漸失去對物質的掌控。物質流失,形成所謂的“行星狀星雲”。而質量最小的矮星,可能連“行星狀星雲”也製造不出來。

恆星的死亡方式各種各樣。但它們的死亡,並不都會立即導致它們停止發光。除了四散的物質,總還會留下一個內核。這個內核有的是黑洞,有的是中子星,而大多數是白矮星。

我們可以說恆星級黑洞是立即熄滅的恆星,因為它們根本不發光。除非它擁有豐富的“食物”。但對於中子星和白矮星而言,情況完全不同。

宇宙中是否存在不發光的恆星?

中子星模擬圖。

中子星沒有黑洞那麼極端,但也擁有極高的密度。恆星燃燒的所有副產品,在超新星爆發過程中,會被壓進一個體積極小、密度極高的球體中。這個球體的直徑可以低至十幾千米,密度可以在每立方厘米10的15次方千克左右,溫度可以高達10的6次方K。雖然核聚變在中子星內部不再進行,但高溫仍會導致它繼續發光。

中子星通常是藍白色的。但它產生的輻射,大部分集中在肉眼看不見的X射線波段上。中子星沒有能量補充,因此必然會變冷、變暗。但中子星體積極小,它的所有能量,如果通過它極為有限的表面散發,幾乎起不到什麼明顯作用。因此對它而言,起主要作用的冷卻方式是一種尚未被完全瞭解的物理機制——“中微子冷卻”。中子星冷卻的過程十分漫長,最短也相當於宇宙當前年齡的大約100萬倍。有得等了。

所幸,不是所有的恆星熄滅都要這麼久。較小質量的恆星在核聚變反應停止後,會慢慢收縮成白矮星。白矮星的體積沒有中子星那麼小,密度也沒有中子星那麼大。它們的體積可以達到中子星的一千倍,大約相當於地球。它們的表面溫度大約是2萬K,是太陽的3倍多。比中子星涼爽多了!所以白矮星的冷卻在理論上要比中子星快一點。

宇宙中是否存在不發光的恆星?

和地球差不多大的白矮星。白矮星表面的重力可以達到地球的10億倍。

但白矮星的“散熱”主要只能通過它的表面,而不是中微子的逃逸。要讓白矮星黑化,從宇宙背景上消失,那麼它的溫度就必須接近絕對零度。這個過程需要的時間,大約相當於宇宙當前年齡的1000倍。和中子星相比,這已經相當快了。一旦溫度接近宇宙背景溫度,它們就會變成“黑矮星”。

宇宙中是否存在不發光的恆星?

宇宙中可能還沒有黑矮星,因為宇宙還不夠老。

由此看來,宇宙還是相當年輕的。因為當今宇宙中並不存在“黑矮星”。今天,宇宙中溫度最低的白矮星,只失去了0.2%左右的熱量,離變“黑”還遙遙無期。但現在沒有,並不等於將來不會有。只不過它出現的時間,是在極其遙遠的未來。

我們知道它們會出現,我們也知道它們什麼時候出現。那是在我們的銀河系和仙女座星系融合之後,那是在銀河中大部分恆星已經燃盡之時。那時,夜空中將只剩下低質量的紅矮星還在如昏暗的燭光般閃爍,而在空曠宇宙中四處遊蕩著的,將有許多黑色的幽靈。它們都曾是繁星。

相關推薦

推薦中...