【极大篇 | 第二章：宇宙的内容】 03 恒星的第一种结局：白矮星

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严老师讲义

如果把一颗恒星从诞生到死亡比作一个人的一生，那么发光的阶段其实就是恒星的青年、壮年时期。

但是等恒星“老去”，它的老年，甚至是死亡，会是什么样的呢？

2.3.1 为什么天体会有一个大小？

首先来看一个跟恒星的生命并不直接相关的问题，就是天体为什么会有一个固定的大小？

天体之所以能够形成，是因为物质在万有引力的作用下聚合到了一起。也就是说，万有引力永远提供一个向内收拢的趋势。

天体形成以后，这个引力仍然存在，天体上的每一寸土地都还受到万有引力的作用。

那么既然它能形成一个固定的大小，就必须有一个向外的力去跟引力平衡，否则天体一定会继续收缩。

引力与核聚变的平衡

那究竟是什么力去跟引力平衡的呢？答案是恒星内部的核聚变。

核聚变放出光和热跟氢弹的爆炸一样，是以爆破的形式向外辐射的。这股向外的趋势会平衡恒星的引力，就可以让恒星达到一个稳定的大小。

2.3.2 恒星的燃料烧完了怎么办？

当恒星用来聚变的燃料耗尽时，比如氢元素都在聚变的结合下成为了氦元素，那么用来平衡引力的力就没有了，恒星会继续收缩变小。

但是恒星的收缩并不是一蹴而就的。原本稳定的状态突然失稳，会有一个剧烈变化的中间态，这个状态叫做红巨星。

所以红巨星并不是一颗稳定的星球，而是恒星衰老过程中的一个阶段，这个阶段持续的时间大概有几十万年到几百万年左右。

虽然这段时间在我们看来非常长，但是相对于恒星几十亿，甚至上百亿年的寿命来说，其实是非常短的。

红巨星极其巨大，它的直径可以大到恒星的几百倍。如果太阳变成红巨星的话，体积一定会大到吞噬地球，届时地球就会被毁灭。

红巨星

为什么红巨星反而会越变越大呢？

因为当氢原子作为核聚变反应的燃料消耗殆尽时，生成的氦原子在一定情况下，还可以继续进行核聚变。

氦的核聚变比氢的核聚变难度更高。在太阳中心，氢的核聚变在一千多万度左右就可以发生，但是氦的核聚变要达到一两亿度才行。

氢核聚变完结以后，恒星就开始收缩成体积更小的状态。而更小的体积对应于更大的密度，也就意味着更大的内部压强。

这种强大的压强可以把恒星内部加热到一两亿度，从而激发新一层的核反应。

氦原子在核聚变的作用下，会结合形成碳原子，进一步发出能量，这种物理现象叫做氦闪。

氦闪的过程是核心收缩到一定程度后发生的，一旦发生就有一股巨大的能量向外喷出，可以在几十分钟之内就释放出相当于全银河系的光能的能量。

这股能量的瞬间爆发，就提供了红巨星向往膨胀的力量，所以理解了氦闪，就理解为什么会有红巨星的产生了。

2.3.3 恒星的宿命之一：白矮星

那么继续往下，如果氦核聚变也结束了，所有的核聚变都结束了，会发生什么呢？这里说的“所有核聚变都结束了”，有两种可能。

第一种可能是，上一轮的核聚变结束了，到下一轮的时候，恒星还要缩小，温度还会升高，但是升高的温度，不足以驱动下一轮的更重的元素的核聚变；

另外一种可能是，温度一直足够高，一直可以发生核聚变。但是直到反应到铁元素为止，原则上不论温度如何升高，也不会再发生核聚变了，因为铁是最稳定的元素。

无论哪一种可能，我们都说这颗恒星彻底进入老年阶段了。这就来到了恒星其中一个最主要的宿命之一——白矮星。

白矮星就是当一颗恒星，所有能够发生的核聚变反应都已经结束了，不再有爆炸性的能量释放。但是它的质量还在，内部压力还在，所以温度还在。

白矮星会发出白色的光芒。这种白光不是因为核聚变产生的，而只是单纯的热辐射而已。

白矮星

2.3.4 热辐射

总的来说，任何有温度的物体，都会向外辐射电磁波，并且温度越高，辐射的能量就越强。这就是为什么把一块铁加热到温度很高，它就会发红的道理是一样的。

日常生活中的物体也不是不发光，而是他们的温度不够高，一般都是发出红外线。戴上夜视仪就可以在黑暗当中看到物体辐射出的红外线。

白矮星之所以会发出白光，是因为它的表面温度仍然很高，有七、八千度左右，这个温度下物质就会发出白光。

跟恒星一样，白矮星的能量也不是无限的，总有一天会由于热辐射消失殆尽，最终白矮星会变成一颗黑矮星。

只不过热辐射释放能量的效率很低，跟核聚变无法相提并论，所以恒星变成白矮星后，要经过很长时间，才会变成它的最终模样——黑矮星。黑矮星，顾名思义，就彻底不发光了，只辐射极少的电磁波。

黑矮星想象图

但是白矮星阶段太长了，理论上白矮星的寿命比宇宙存在的时间还长，所以现在的宇宙中还不可能出现黑矮星。

根据科学家们的计算，只有质量大于0.7倍的太阳质量，但是只有小于1.4倍太阳质量的恒星最终会成为白矮星。

1.4倍的太阳质量这个节点，叫做钱德拉塞卡极限。大于1.4倍太阳质量的恒星，最终的宿命很可能就不是白矮星了。