恒星演化的可能歸宿與估算

1、11恒星演化的可能歸宿與估算任何恒星都不能永遠存活下去，在燒盡了核燃料后恒星根據(jù)它們自身的質(zhì)量大小，其最終演變結(jié)果通常有白矮星、中子星和黑洞三種可能歸宿。1、較小的恒星（象太陽大小的恒星）通常演化為白矮星，這是人類最早發(fā)現(xiàn)的致密天 體。遠在170年前（ 1834年）德國天文學(xué)家貝塞爾就注意到天空中最亮的恒星開狼星是 在以“波浪式”的軌跡向前運動，根據(jù)其獨特的運動方式，貝塞爾猜想它可能有一顆暗的伴 星，這一伴星后來果然被美國天文學(xué)家克拉克在28年后（1862年）發(fā)現(xiàn)，最初人們認為它是一顆直徑很大而又很冷姝紅巨星。然而到了1915年，主要從事光譜研究的美國天文學(xué)家沃爾特亞當(dāng)斯在威爾遜天文臺觀察這顆

2、伴星的光譜時竟然意外地發(fā)現(xiàn)這顆伴星實際上根本 不冷：它是白色的，表面溫度達到800K,比太陽的表面溫度還高 2000K o根據(jù)推算，這是一顆直徑僅為地球直徑兩倍大小的的恒星，盡管其光度只有太陽的百分之一，但的質(zhì)量卻與太陽相差無幾，其密度更高達7 107kg/m3 （是水的密度的70000倍）。后來人們把這類體 積小、密度大、表面溫度高的而光度低的簡并態(tài)恒星稱為白矮星。理論上的研究結(jié)果表明，當(dāng)恒星經(jīng)歷紅巨星階段發(fā)生較大的質(zhì)量損失后，這顆恒星便穿過主序星階段而演化成白矮 星。1924年英國物理學(xué)愛丁頓根據(jù)質(zhì)量與光度的關(guān)系推測，白矮星是質(zhì)量與太陽相當(dāng)不能適應(yīng)致密天體，具有譜線較寬的引力紅移效應(yīng)。19

3、26年美國物理學(xué)福勒用“量子力學(xué)”建立白矮星的簡并態(tài)電子氣理論，證明了第四態(tài)物態(tài)：簡并物態(tài)（即等離子態(tài)）的存在。1931年美藉印度天體物理學(xué)家錢德拉塞卡更進一步從理論上推算出，無自轉(zhuǎn)白矮星質(zhì)量的上限約為1.44個太陽質(zhì)量，這就是著名的“錢德拉塞卡極限”（迄今為止人類已發(fā)現(xiàn)了一千多顆白矮星，沒有一顆質(zhì)量超過上述極限的）。白矮星有很強表面引力和很強的磁場10： 103T ,科學(xué)家們早期就是對白矮星譜線的引力紅移的觀察中，找出驗證相對論的實測數(shù)據(jù)。太陽中的主要元素是氫和氨，這兩種元素加起來占到太陽總質(zhì)量的98%以上。現(xiàn)在太陽內(nèi)部的核反應(yīng)主要是氫氫核結(jié)合成氨核，即2 0e 4 11H24He。若取電子

4、質(zhì)量.一 31.一一 _ _ 27.一一 一me 0.91 10 kg , 質(zhì)子質(zhì) 量 mp 1.6726 10 kg , a 粒 子質(zhì)量_ 29 , 一 一 .m 4.6548 10 kg ,則上述核反應(yīng)每發(fā)生一次的質(zhì)量節(jié)損為m 2me 4mp m 4.6458 10 29kg。釋放的核能為 E mC2 4.2 10 12J。如果太陽每秒鐘有5.6 1011kg （接近6億噸）的氫參與核反應(yīng)，則太陽每秒鐘發(fā)生上述核反11.應(yīng)的次數(shù)為 5.6 10 1kg8.4 1037次，太陽每秒損失的質(zhì)量為6.6904 10 kg4.6548 10 29 8.4 1037 3.9 109kg （接近400

5、萬噸）。當(dāng)太陽內(nèi)部消耗的占到太陽總質(zhì)量的10%左右時，太陽將結(jié)束穩(wěn)定存在的時期而走向衰亡，因此太陽在主序星階段存在30 ,的時間2 10 kg 10% 3.6 1017s,即100億年左右，100億年以后太陽將演變?yōu)橐活w5.6 1011kg/s體積比地球大不了多少的白矮星。2 .中子星是恒星演化的第二種可能歸宿中子星是主要由簡并中子組成的更致密的天體。1932年查德威克發(fā)現(xiàn)中子后不久，朗道就提出了可能存在由中子組成的致密星體；1934年又巴德和茨威基也分別提出中子星概念，并強調(diào)指出中子星可能產(chǎn)生于超新星爆發(fā)；1939年奧本海默和沃爾特夫通過計算建立了第一個中子星的模型；1967年英國射電天文學(xué)

6、家休伊什和他的女研究生貝爾等發(fā)現(xiàn)了俯沖星，不久后他們便證實了脈沖星就是高速自轉(zhuǎn)的中子星。中子星的外層為固體球殼，厚度約1km ,密度約為1014 : 1017kg/m3 ,由各種原子核組成的點陣結(jié)構(gòu)和簡并態(tài)電子氣所組成。球殼內(nèi)是一層主要由中子組成的流體，密度約為1017 : 1018kg/m3,（是白矮星密度的數(shù)十億倍），在這一層中還有少量質(zhì)子、電子和 介子。中子星表面磁場的磁感應(yīng)強度一般可達108 : 1012T （是白矮星的幾千萬倍），其表面溫度達到了 1千萬度，中心溫度高達 60億度以上。中子星是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物，其質(zhì)量下限為0.1M日，上限在1.5: 2M日之間。1974年，李政道提出

7、反常核態(tài)理論不久，中國的一些理論物理學(xué)家就把這一假說應(yīng)用于天體研究并得出結(jié)論：有可能存在反常中子星，它們屬于晚期恒星演化的一個新的類型或新的階段。致密星可能有三個質(zhì)量極限，則反常常中子星的質(zhì)量約為3.2M日。中子星半徑的典型值約為10km,根據(jù) g=GMR2 ,不難算出，假如有一顆類1.3 1012m/s2,而它的第二似大小、但質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)闹凶有?，其表面重力加速度竟達宇宙速度更高達1.6 108m/s2 ,而它的第二宇宙速度更高達 1.6 108m/s,超過了真空中光速的一半。高速自轉(zhuǎn)的中子星就是脈沖星。 中子星的電磁輻射是連續(xù)的， 沿它的磁方向最強，磁 軸與它的自轉(zhuǎn)軸間有一定的角度，在地

8、球上接受器所收到的 脈沖電磁輻射具有穩(wěn)定的周期，就是基于上述原因，因此 被接受器收到相信兩脈沖信號的時間間隔即為中子星的自 轉(zhuǎn)周期。根據(jù)中子星的自轉(zhuǎn)周期可以估算出該中子星密度的下限，以貝爾發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星PRS1919+21 （兩個脈沖的時間間隔為 1.337s）為例，取位于該中子星赤道上一小塊質(zhì)量為 m的質(zhì)元，其所受的向心力不能超過對應(yīng)的萬有弓I 力， m2TR3,GM mR2M4 R33自轉(zhuǎn)軸I接受器GT2子星密度的下限約為2 GM m，人同樣由 m R 2一給R20.8 1011kg/m3。與上面的估算過程相似，我們還可以取上述質(zhì)量為M,半徑10km的中子星推算一下該中子星自轉(zhuǎn)的周期的下

9、限:5.4 10 4So出的表達式為T 2 J-,其具體計算結(jié)果為 、GM3 .黑洞是廣義相對論所預(yù)言的一種特殊天體，是質(zhì)量更大的恒星演化的第三種可能歸宿早在兩個多世紀(jì)之前的 1798年，法國的天體力學(xué)家拉普拉斯就牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上預(yù)言，一個直徑為太陽250倍而密度與地球相當(dāng)?shù)暮阈?，其引力場足以俘獲它所發(fā)出所有光線而成為暗天體。今天我們對這段文字的理解是：如果天體密度保持不變，其引力就會承受天體質(zhì)量的增大而越來越強， 當(dāng)引力增大到連光都不能逃脫時，它就變成了一個黑洞。 在近代,1939年奧本海默等人根據(jù)廣義相對論證明：一個無壓的塵埃天體，在自身引力作用下，將能坍縮到它引力半徑范圍內(nèi)。其引力半徑r

10、g2GM,這就是天體的第二宇宙速度2GM大于或等于真空中的光速的意思,后人稱此距離為“史瓦西半徑”體周圍史瓦西半徑處想象中的球面稱為“視界”,黑洞視界中心被認為是一個 “奇點”。對晚期致密恒星的研究結(jié)果表明，存在一臨界質(zhì)量Me,當(dāng)星體的質(zhì)量 M Mc時，在引力坍縮后，它不可能存在任何不穩(wěn)狀態(tài)，惟一的可能就是演化為黑洞。而位于黑洞以外的觀察者， 除了可依靠間接手段了解黑洞的總質(zhì)量、總電荷和總角動量外，再也不可能獲取其他任何有關(guān)黑洞的信息。由于黑洞強大的引力足以摧毀其內(nèi)部一切物體，因此黑洞內(nèi)部不存在現(xiàn)在已知的任何一種形態(tài)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種黑洞穩(wěn)定性的經(jīng)典理論在1974年受到了挑戰(zhàn)：霍金證明如果考慮黑

11、洞周圍空間的量子的漲落，黑洞應(yīng)該具有與它溫度相對應(yīng)的量子輻射并因此而損失能量。黑洞的質(zhì)量越大，它的質(zhì)量損失就越慢。盡管這一效應(yīng)對于恒星質(zhì)量的黑洞來說非常之小，但所有的黑洞最終都將因它的全部質(zhì)量輻射殆盡而不復(fù)存在。最近這些年來，人類對黑洞的研究又有了新的進展，1997年8月26日，在日本舉行的國際學(xué)術(shù)大會上，德國“普朗克學(xué)會”的一個研究小組公布了他們的研究成果：他們用口徑3.5m的天文望遠鏡對獵戶座位于銀河系中心附近的星體進行了長達6年的觀察后發(fā)現(xiàn)，這些在距離銀河系中心 60億千米遠處的天體正在以 2000km/s的速度繞銀系中心旋轉(zhuǎn)， 他們 認為這是銀河系中心存在巨大質(zhì)量的黑洞的結(jié)果。假如這一猜想屬實的話，我們就可以按照他們提供的數(shù)據(jù)估算一下這個黑洞的質(zhì)量和它的最大可能半徑：22對于黑洞質(zhì)量，根據(jù)