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如何解釋引力坍縮?

2018年02月28日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 16 ℃ 次

【哈哈哈的回答(246票)】:

題主的思路比較跳躍,還是一步一步來吧:

1. 恆星穩定燃燒時不會散架是因為萬有引力與恆星內部的壓力達到平衡。引力是傾向於把組成恆星的氣體束縛在一起的,而氣體的壓強則是傾向於讓氣體各自散開的。

2. 引力由質量決定,核聚變造成的質量變化並不大,只有千分之一量級,所以不存在什麼「壽命到了抓不住外圍物質」的奇怪說法。

3. 氣體壓強由兩部分組成:一是熱運動造成的壓強,就像你中學課本上學過的理想氣體狀態方程一樣;二是簡並壓。溫度高的時候前者為主,低的時候後者為主(高低是相對於費米面說的,不過不用在意這些細節)。

4. 簡並壓是泡利不相容原理的體現。簡單理解就是:全同費米子不喜歡呆在一塊兒,於是就體現出壓強來了。比如電子不喜歡呆在一塊兒、中子不喜歡呆在一塊兒……於是就產生了電子簡並壓、中子簡並壓……

5. 核聚變是放熱的,所以恆星在內部有核聚變的時候是能一邊對外源源不斷地放熱一邊保持恆星溫度基本穩定的。恆星溫度穩定就保證了恆星內部壓強的穩定,也就保證了恆星大小的穩定,這時候恆星內部的壓強主要是熱運動造成的。

6. 核聚變是不可能永遠進行下去的。

6.1 比如如果恆星太小,內部壓強和溫度不夠,達不到進一步核聚變點火的標準,那到某一階段聚變就會停止。核聚變雖然停止了,但恆星還得對外放熱啊,這麼一來恆星內部溫度就會不斷降低,於是只好在引力的作用下越變越小。當熱運動產生的壓強不足以抵抗引力時,電子簡並壓挺身而出(回頭看第3和第4點),撐住了引力,這樣的恆星最後變成了白矮星。

6.2 如果恆星足夠大,那內部的溫度和壓強足夠高,能點燃所有聚變反應,產生氦、碳、氧、硅、鐵之類的東西。但是聚變到鐵就完事了,因為鐵原子核的比結合能最大,兩個鐵原子不能再聚變了。這樣一來,恆星中心由於溫度壓強最高,最先變成鐵,外部依次是越來越輕的元素,像個洋蔥一樣。

7. 考慮6.2的情況,恆星中心的鐵核會越來越大,並且不斷向外散熱,其壓強也慢慢由熱運動提供的為主變成電子簡並壓為主。但當鐵核的質量達到大約1.5倍太陽質量時,電子簡並壓就撐不住鐵核自身的引力了。撐不住的結果就是鐵核在自身引力的作用下迅速坍縮,從原本的大約半徑8000 km的一個球一下子縮小成半徑只有大約50 km的一個球,主要由中子組成,可稱之為原中子星。原中子星是靠中子的簡並壓撐住的,當然也有實在撐不住的情況,那就只好變黑洞了,這裡我們先不考慮黑洞的情況。

8. 在7里面鐵核坍縮的過程當然伴隨著外部物質一塊兒往裡掉的過程,要是鐵核最後撐住了成為原中子星,那外面掉落的東西撞到硬梆梆的原中子星上就只好反彈回去形成一股衝擊波。看到朝外傳播的衝擊波是不是覺得有希望超新星爆發一下了?但是很遺憾,很多情況下這衝擊波還沒傳到恆星外表面就蔫掉了,恆星外表看上去什麼事都沒有。

9. 要想超新星爆發怎麼辦?這就要看中微子了。在7里說到一個1.5倍太陽質量的鐵球從原本的大約半徑8000 km的一個球一下子縮小成半徑只有大約50 km的一個球,這個過程的引力勢能變化是相當巨大的。大到什麼程度呢?把這些能量換算成質量的話大約有0.17個太陽那麼重。這麼多能量現在都變成原中子星的熱能了,這熱能的99%都會以中微子的形式一路輻射到恆星外面去,只有1%會被恆星的外層物質吸收。但就是這被吸收的1%的能量讓外層物質的壓強一下子超過了引力,於是它們就向外飛散,同時發出大量的可見光,這就是核坍縮型超新星爆發。爆發之後恆星外層的物質幾乎都被吹飛,原中子星冷卻之後就成為中子星。

10. 就時間尺度而言,在恆星核坍縮之後立刻就在幾十秒時間內輻射出幾乎所有中微子,然後在大約兩小時之後外層物質才開始發出大量可見光,並持續發光幾周到幾個月。這是在SN1987A這顆超新星爆發時觀測到的現象。

【吳爪爪的回答(2票)】:

廢話,重點已經加粗

講不清楚

我以前也是這麼傻逼的問這麼傻逼的問題,然後我的高中老師唾沫橫飛的給我們講一通

我感覺自己好屌,就這麼理解了

後來,

等我糊里糊塗地看了一些書,糊里糊塗的走上考場

我才明白,MB,我不懂,真的不懂,理解全是錯的

1.沒有數學說個J8;

2.問問題之前確定自己是否是在裝逼;

3.最不幸地就是一個_裝逼_的少年遇到一個_逗逼_的老師,最後走上了一條_完逼_的道路。

卒。

【宋楚寧的回答(1票)】:

作為一個門外漢,俺也來隨便扯幾句,也許能夠給題主和後來看到的人展示一些門外漢的觀點,若有不對之處懇請大家一起斧正。互相交流,互相學習。

1. 恆星是一團由重力約束在一起的氣體。或者更確切的說,一團等離子體。萬有引力定律定義,重力的大小與所受吸引物體離質心的距離大小的平方成反比,與此物體的質量成正比。於是在一個像太陽規模的巨物中,物質的密度是分層次的,離核心越近,所受的引力越大物質壓縮的便越是實,溫度也就越是高。當恆星規模大到一定程度時,核心的溫度達到氫聚變的點火點(幾百萬度),熱核聚變便開始了。恆星也正式進入主序星階段。

2. 我們星系裡的最大的氣態行星木星的規模還不夠大,所以核心溫度不夠高,不夠啟動需求最低的氘聚變。但即使如此也有上萬度了,可想而知即使沒有熱核聚變提供的能量單單靠重力摩擦,太陽規模的恆星的核心會有多熱。所以說要理清楚先後問題。是重力摩擦點燃的氫聚變而不是反之。

3. 點燃氫聚變的同時,恆星會劇烈膨脹。直到膨脹到熱平衡能夠維持時,便會一直穩定燃燒下去。

3. 恆星並不是整個在燃燒的,燃燒的只有等離子態的一個核。因為離核心越近的物質越熱,於是形成了溫度梯度,便會發生對流。如圖所示,核外邊的物質只是在不停地對流,把能量傳到最外層。如此便形成了一個熱平衡過程。而大於1.5倍太陽質量的巨星和太陽相反,輻射層在外邊對流層在中央。

4. 還是上圖中,小於0.5倍太陽質量(最左)的恆星的無法形成穩定的輻射層(紅色箭頭),於是氫聚變生成的氦會被對流分散到各處。於是他們無法累積起氦來。也正因為如此他們無法啟動氦聚變。4. 還是上圖中,小於0.5倍太陽質量(最左)的恆星的無法形成穩定的輻射層(紅色箭頭),於是氫聚變生成的氦會被對流分散到各處。於是他們無法累積起氦來。也正因為如此他們無法啟動氦聚變。

5. 當主序星核心的氫濃度已經比較低而氦濃度已經比較高時,氫聚變的能量密度不夠抗衡重力坍縮,恆星的核心會進一步向內坍縮,溫度進一步升高,此時核心的溫度仍然不夠點燃氦聚變,可是接近核心的一圈原來在打醬油對流的氫殼達到了點火溫度,於是此時核周邊的一圈殼開始聚變。恆星脫離主序星,開始進入紅巨星階段。此時因為燃燒的這圈外殼比原來的內核要大得多,所以此時恆星需要急劇膨脹才能維持平衡。也正因為外殼的面積大得多,所以能量密度比原來的核要小,所以體現在表面就是溫度比較低,顏色也偏紅。但是因為現在的內核溫度比原來高了,所以紅巨星的總體亮度會比主序星時大得多。

6. 在紅巨星階段實際上是維持在一個平衡狀態中。之前所說的核外殼會燃燒完變成氦,接著會失去能量,於是平衡打破,內核收縮,在核心溫度繼續升高密度繼續增加的過程中原來在更外一圈對流的氫開始聚變,恆星繼續膨脹,平衡恢復。如此循環直到核心達到簡並態。也就是打個比方,原子被擠實了,好像擠滿了人的公交車。再上人的話上邊的人要開始抗議了。

7. 達到簡並態的物質很難繼續收縮,但溫度仍然在繼續上升。對於一個足夠大的恆星,可以升溫直到核心溫度達到氦聚變點火溫度,恆星重新回到主序星階段,體積變小,表面溫度升高,光譜向藍方向移動。

8. 之後核心幾乎完全變成碳時,會重複之前的循環,氦內核收縮,氦核外殼到達點火溫度,回到紅巨星,內核溫度繼續升高。

9. 假若恆星足夠大,內核可以達到碳聚變點火溫度,碳聚變會開始,恆星重新回歸主序星階段。

10. 碳之後是氖,氧,硅,恆星不斷在主序和紅巨之間循環,內核不斷重新點火,更重的元素被聚變出來。

11. 直到硅聚變成鐵這裡到了死路。所有的鐵聚變不放能反而吸能。玩不下去了。平衡再也無法維持了,於是瞬間就發生了史詩級的重力坍縮。

12. 當達到錢德拉塞卡極限時簡併力也沒法跟重力抗衡了,於是原子被壓碎了(想像一下往公交車裡塞人直到把人擠碎 :(),原子裡的質子和電子發生了碰撞變成了中子,與此同時釋放出巨量的能量。此時一切過程都是內爆。也就是和物質向外飛散的爆炸相反,物質是向核心飛散的。此時內核密度和溫度繼續急速上升。

12. 之後假若恆星質量不是特別大(<1.4太陽質量),內核溫度會到達一個中子簡並態。也就是中子被壓實了,不能再繼續壓了。這時內爆的物質會好像撞上了一面硬牆一樣會被彈回來(其實是彈出去),也就是我們所說的超新星。再被甩出來的同時在這團物質裡所有元素都會在這一瞬間被聚變出來。甩光外殼的中子核會成為中子星繼續存在下去。

13. 假若恆星特別大的話(1.4太陽質量到3太陽質量之間),中子簡併力也不能抗衡重力坍縮了,中子會被壓碎,會繼續被壓成夸克,就成為了夸克星。雖然目前沒有觀測到夸克星的記錄,人們猜測它理論上應當存在。

14. 再大,就會成為黑洞了。人們目前還沒能瞭解到把夸克壓碎會變成什麼。

15. 順便一提,我們的太陽的質量不夠在上邊說的過程中突破錢德拉塞卡極限。於是原子不會被擠碎,而是在途中的某一個過程中達到力平衡,當然仍然會甩掉大部分的物質。星必有一死,死時必有一爆。然後留下一個鐵或者鎳核,成為一顆白矮星。

16. 當然我上邊說的不太嚴謹,雖然星必有一死但卻未必有一爆。比較小的恆星沒有所謂的核(見4),所以沒法啟動氦聚變。死前它們仍然會劇烈收縮,不過會留下一具由氦組成的屍體。

17. 不用擔心,太陽仍然能穩定在主序星階段五十億年。至少在閱讀我這個回答的你是看不到它膨脹的那一天了。

【胡博的回答(0票)】:

我一般這麼理解的,星體內部的壓力不足時,星體表面的物質就會在內核的引力下做向心運動,然後星體就會壓縮,與此同時星體半徑減小,質量卻不變,所以向心加速度會越來越大,所以星球就坍塌下去啦

標籤:-物理學 -天體物理學 -天文學 -宇宙 -恆星


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