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这种恒星只在理论上有,要等它形成还需要10万亿年,宇宙都等不起

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发表时间:2020-02-28 14:28
当白天的光明褪去,迎接的是夜晚的黑暗。”——西尔维亚·阿什顿


在天体物理学上有一种类型的天体,我们称它为黑矮星,它是低质量恒星演化的最末期,可以真正的称为恒星的“尸体”。它不发出任何电磁辐射,由低温电子简并物质以及气体组成,在外观上和行星很难区分。

在宇宙中,我们已经发现了各种光谱类型的恒星,包括恒星演化过程中各种中间,以及末端形态,包括:白矮星、中子星、黑洞。那么在现今的宇宙中存在像黑矮星这样的终端恒星尸体吗?一颗类太阳恒星,或比太阳质量更低的恒星耗尽核燃料后需要多长时间才能冷却下来,形成黑矮星?

要想了解这个问题,就需要从恒星生命诞生开始,充分探索它的演化过程。

中子星的诞生于黑矮星

我们知道,宇宙星际空间中充斥了大量的气体云团,这些气体云在密度上分布并不均匀,有一些区域的密度不仅比平均密度高,而且可能是气体云中密度最高的区域,有些区域的密度可能就较低,甚至低于整个气体云的平均密度。

在引力的作用下,由于物质分布的不均匀,气体云就会在不同点开始塌缩。高密度区域就会吸引越来越多的物质,密度稍微低一点的区域就会吸收少量的物质,那些密度低于平均水平区域的物质就会被转移到这些高密度区域。这就是一个抢夺物质的过程。

万有引力是一个失控的过程,也就是说物质越多,引力越大,吸引周围物质的速度就越快。一团气体云的尺度一般都有几十万到上百万光年,要让气体云从大的弥散状态转变成相对紧密的塌缩状态可能需要数百万甚至是上千万年的时间。但是只要完成了以上过程,从坍缩的气体云状态到一个星团的诞生,也就是在气体云各处的坍缩点,点燃核聚变只需要几十万年的时间。

你看,上图中所有发光的点,就是曾经那些物质密度比较高的点,它们在抢夺物质的过程中获得了胜利,因此才诞生了各种大小不一、颜色也各异的恒星。

在一个星团中,那些最显眼的恒星,就是质量最大、光度最亮、颜色最蓝、温度最高的恒星,其质量一般有太阳质量的数十倍到数百倍不等,而光度则是太阳的数十万到数百万倍。但这类恒星一般都比较稀有,占了宇宙中恒星总数不到1%,而且这类恒星在其核心燃烧燃料的速度快,核反应剧烈,寿命最短的只有几万倍年,最长也就几千万年。

当这类恒星耗尽核心燃料时,核反应就会戛然而止,随后在壮观的II型超新星爆发中死亡。这是由于核心停止聚变以后,会在引力的作用下快速的塌缩,并释放出巨大的重力势能,而低质量的核心就会塌缩成中子星,更高质量的核心就会一路塌缩成黑洞。同时重力势能的释放会将外层的所有物质炸到星际介质中,并形成目前已知的所有重元素。

这些充满丰富元素的气体云会在漫长的岁月中,键合成很多有机分子,为下一代恒星、岩石行星,甚至是生命的诞生提供条件。

形成的黑洞,如果周围没有伴星或者丰富的星际介质,它就是完全黑色的,只会辐射出低温的霍金辐射。如果周围有物质,那么在黑洞的周围就会形成带有高能辐射(X射线)的物质圆盘,甚至是中心的物质喷流。总的来说,黑洞就是一个恒星的最终尸首,也是完全黑色不可见的。

但是中子星不一样。

中子星在形成的过程中,经历了迅速、猛烈的压缩,在生活中我们压缩任何物体都会使其升温,当然中子星也一样。在几分钟甚至更短的时间内,曾经直径约为数十万公里富含铁,镍,钴,硅和硫的核芯被引力快速压缩成直径为16公里,甚至是更小的球体,密度增加到了之前的4千万倍,核心层达到约10 ^ 12 K的高温,表面最高达到约10 ^ 6K。

将巨大的能量储存在这样非常小的体积内,而且温度非常高,中子星不仅在可见光谱中发出蓝白色的光芒,还会释放大量的不可见的高能辐射,如:X射线。但是如果巨大的能量并不能有效的向外散发,只能通过中子星非常小的表面积向外散发能量。因此这个过程十分缓慢。

那么中子星冷却需要多长时间?这个过程分为中微子冷却和光子冷却,因为中微子也是一种辐射粒子,而中微子通常不于物质发生相互作用,也就是说生成后会迅速从中子星内倍逃脱,因此中子星的中微子冷却仅需10 ^ 16年,也就是现今宇宙年龄的一百万倍。但是,光子要想从中子星内部逃逸出来,就不那么容易,它会和各种带电粒子发生碰撞,并被随机散射到各个方向,因此中子星要想在光谱端冷却可能需要10 ^ 20至10 ^ 22年,这是一个特别漫长的过程。这也意味着现今宇宙中根本不存在中子星冷却后形成的黑矮星。

除了中子星以外,还有密度比较低的天体,它冷却的速度更快一些。

白矮星的诞生与黑矮星

上文说了,宇宙中大部分的恒星都比这些又蓝又亮的恒星质量要小,它们死亡时并不会发生超新星爆发,而是其核心会缓慢的、比较温和的收缩成一颗白矮星。一般一颗白矮星的诞生过程,要持续数万年的时间,并不是在很短的时间的塌缩形成的。

还有白矮星要比中子星大的多,一般和地球的体积差不多,这意味着虽然白矮星的温度超过了20,000 K,比太阳还要高3倍以上,但它的冷却速度却比中子星快得多。

白矮星的冷却也是依靠表面向太空辐射能量。如果想要让一颗白矮星冷却到比绝对零度高几度的温度,时间尺度大约为10 ^ 14至10 ^ 15年。

也就是说,在大约10万亿年后,或者是在宇宙当前年龄的1000倍左右,一颗“白矮星”的温度就会下降,从而脱离可见光范围。届时,宇宙将拥有一种全新的天体:黑矮星。

所以,综上所述,当今的宇宙中并没有黑矮星,因为我们的宇宙太年轻了。据科学家的估计,自从宇宙中诞生的第一颗能量最低的白矮星以来,损失的热量还不到其总热量的0.2%。这告诉我们,如果我们想要找到一颗真正的黑矮星,还需要经历漫长的时间尺度。

目前我们的宇宙中充满了各种各样的恒星,它们相隔遥远,组成了不同的星系结构,但是当我们等到第一颗黑矮星出现时,我们的本星系群早都已经合并成为了一个大的椭圆星系,大多数的恒星,当然也包括太阳,早已经燃尽、死亡,宇宙中剩下的恒星仅是质量最低的红矮星,已经那些失败的恒星:褐矮星。

微转能手


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