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宇宙中会不会存在直径达1光年的恒星?

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宇宙解码 2021-11-24 19:36

常有人觉得我们太阳太小了,老问:宇宙中有没有直径超过1光年的恒星?我可以肯定干脆地回答,没有。为什么呢?我们一起来讨论。

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恒星稳定的前提是内外压差的平衡。

天体由于自身巨大质量形成的引力向心压力,内部的高压和高温点燃了热核聚变,持续进行的核聚变,产生的巨大能量以电磁辐射的方式向外传播,由此而发光发热,这就是恒星。恒星中心核聚变巨大辐射压,抵御住了本身质量的引力向心收缩压,使其内外压保持一个平衡稳定状态。

这种平衡能够维持多久,决定了这颗恒星的寿命有多久。如果这种平衡被打破,这颗恒星就会变得极不稳定,无法维持恒星的稳定状态,很快就会解体。研究证明,恒星寿命长短完全取决于质量,质量越大,寿命越短;反之寿命越长。

恒星有一个质量最小下限,这是因为天体没有达到一定质量,核心部分的压力和温度达不到点燃核聚变的条件,就不会成为恒星。这个质量下限是太阳质量的8%左右,相当木星质量的80倍;恒星的质量上限就是“爱丁顿极限”,现在认为约300倍太阳质量。

因此,恒星上限受“爱丁顿极限”限制。

英国天体物理学家、数学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿爵士,是最早接受并理解爱因斯坦相对论的科学家,为了验证爱因斯坦认为光线经过太阳时,会受到太阳引力而弯曲的预言,他于1919年5月率领一支科学考察队远涉非洲观测日全食,验证了这个预言的正确,引起了世界科学界轰动,广义相对论从此声名鹊起,成为物理学界顶级基础理论。

“爱丁顿极限”理论就是爱丁顿爵士创建的。这个理论认为,在球对称前提下的天体,辐射压力不能超过引力承受的光度上限。所谓光度上限,就是辐射压上限。恒星质量越大,核心受到的压力就会越大,在这种压力下,核聚变就会越剧烈,这样形成的辐射压就会越大,超过了上限值,辐射压就会将外层物质冲散,恒星就难以将外围物质聚拢,恒星就会解体。

人们开始认为,恒星质量一般不会超过太阳质量的150倍。随着对宇宙恒星观测的深入,发现宇宙中存在不少大于太阳质量150倍的恒星。不过这些恒星都处于不稳定状态,外围物质不断逃逸,验证了恒星质量的确存在一个“爱丁顿极限”。

迄今发现最大质量的恒星是r136a1,其质量达到太阳的265倍~315倍,这说明宇宙中最大质量恒星可以达到300个太阳质量。

观测发现,r136a1外围物质极不稳定,几十万年间已经逃逸流失了相当50个太阳质量的物质,而这颗恒星的年龄才有170万岁,由此说明这种大质量恒星几乎是一诞生,就处于极不稳定状态。

r136a1的直径约太阳的28.8~35.4倍,即便按照太阳35倍计算,直径也只有4900万千米。1光年尺度为9.46万亿千米,r136a1的直径只有1光年的约2万分之一。

一般来说,恒星演化后期中小质量恒星膨胀得更大。

一些质量远低于r136a1的恒星,但由于其密度小,因此体积很大。迄今发现最大体积恒星史蒂文森2-18,直径达到太阳2158倍,也就是约30亿千米,即便如此,也只有约3153分之一光年。这颗恒星相当100亿个太阳的体积,可以装下1.3亿亿个地球;盾牌座uy的直径达到太阳的1708倍。

但这些最大体积恒星质量反而不大,如史蒂文森2-18只有太阳质量的17.9倍,而盾牌座uy只有太阳质量的10倍。这些质量在太阳8~30倍之间的恒星,演化后期会有一个红超巨星阶段,外围质量逐渐流失,很不稳定,超新星爆发是它们最后结局,中心会留下一个致密的中子星。

海山二的质量是太阳的120~200倍,已经处于极不稳定的演化后期,随时都有可能爆发。但其直径也就是太阳的240倍左右,比前面说的史蒂文森2-18和盾牌座uy小多了。中等质量恒星在早期主序星阶段体积并不大,只是演化后期才会膨胀。而更大质量恒星反而等不到膨胀到很大,就因为中心剧烈的热核反应失控而爆炸了,中心会留下一个黑洞。

那么,恒星质量虽然有限制,体积可以无限放大吗?

这是肯定不行的。实际上史蒂文森2-18和盾牌座uy等恒星的体积已经大到极限了,它们表面引力已经很小很小了。这一点,通过恒星表面重力加速度的大小就可以看出。

重力加速度计算公式为g=GM/r^2,其中g为天体表面重力加速度,单位为m/s^2;G为引力常量,取值约6.67x11^-11N·m^2/kg^2;r为天体半径,单位m。

根据公式计算,太阳表面重力加速度为275m/s^2,地球表面重力加速度为9.8m/s^2,而盾牌座uy表面重力加速度只有约0.0009m/s^2,比地球小10000倍。而这颗恒星密度只有太阳密度的4.5亿分之一,地球密度的约18亿分之一,比地球地表空气密度还小数十万倍,这样的恒星依靠引力已经很难拉住表面活跃气体流失了。

事实上这种恒星本来就是演化晚期,质量正在流失的恒星。根据恒星演化规律,大于太阳质量8倍的恒星,最终等不到外围气体消散掉,就会发生超新星大爆炸,把自己炸得粉碎,中心留下一个致密的核,这就是中子星,大于太阳30~40倍的恒星,爆发后中心会留下一个黑洞。

宇宙最大的单个天体是黑洞。

像r136a1这种极大质量恒星,由于其核心核聚变剧烈程度与引力压不平衡,导致恒星处于不稳定状态,寿命极短,一般只有几百万年寿命,不会超过1000万年。而太阳寿命可达100亿年,现在已经50亿岁了,r136a1寿命只有300万年左右,现在170万岁了,质量就已经大量流失了,因此这种恒星不可能发展到像盾牌座uy这样体积超大的红超巨星阶段。

大量观测验证了爱丁顿极限理论的正确,现在天文学家们认为,恒星最大极限在300个太阳质量左右,大于这个质量的恒星无法在宇宙中存续下去。因此,宇宙中不可能存在1光年直径的恒星。

目前宇宙最大的单个天体是黑洞。黑洞是恒星的顶级尸骸,而且通吃宇宙中的一切天体,越吃越胖,越长越大,上不封顶。现在已知最大黑洞叫SDSS J140821.67+025733.2,质量是太阳的1960亿倍,其史瓦西半径可达5880亿千米,是1光年尺度的1/16。理论上黑洞质量没有上限,今后会不会发现超过1光年直径的黑洞呢?难以预料。

如果真有超过1光年直径的黑洞存在,那这个黑洞的质量将超过3万亿个太阳,相当15个银河系总质量,恐怖吧?

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