20 天体演化
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试听18020 天体演化

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地球上的事先聊到这里。接下来,咱们把格局放大一点,说一说,宇宙的事情。

说到宇宙天文,我想大部分人都被中子星啊、白矮星啊、红巨星啊这些概念困扰过。咱们今天不说别的,就帮各位把这些概念捋清楚。

首先,姑且认为宇宙是大爆炸产生的。

很久很久以前,有个点,突然爆炸了!炸出来一堆基本粒子,如质子、电子、中微子等,就是基本粒子模型里描述的那些东西。

这就是最初的宇宙,没有恒星、没有行星,只有粒子。

随后,物理定律开工干活,基本粒子纷纷相互结合,形成原子。

因为质子带正电,电子带负电。所以最容易结合的当然是质子和电子,这就是氢原子了。有时候两个质子也会凑巧碰到一起,形成氦原子。但是质子越多,凑一起形成原子难度就越大,毕竟质子都是带正电,相互排斥。

因此当时的宇宙中,绝大部分原子是氢原子和氦原子,其中氢原子只有一个质子,所以占了绝大部分中的大部分。

简单来说,当时的宇宙弥漫着无边无际的氢气,啥天体也没有。

在万有引力作用下,弥散在宇宙中的氢气相互吸引,拉帮结派,逐渐形成气团。质量越大引力就越大,马太效应很快出现,大气团越吸越多,不断吞噬周边的氢气。

一顿混战下来,直至气团周边啥也不剩,江湖纷争告一段落,最后形成了一大团一大团的氢气团。于是呢,现在的宇宙到处飘着氢气团。

天体演化的本质,就是一场与引力的拔河比赛。

这些气团纯粹靠引力聚在一起,而引力大小与质量、距离有关。

这就导致了一个结果。气团吞噬的氢气越多,质量就越大;质量越大,引力就越大;引力越大,气团体积就越被压缩;体积越压缩,氢气分子之间的距离就越近;距离越近,引力就越大。

于是,气团中心随着体积不断压缩,受到的压力越来越大,这个压力一直增加到能把两个氢原子核拧到一起为止。

也不知是谁定下的规定,两个氢原子核拧到一起就会释放出巨大的能量,人类称之“聚变反应”,这也是氢弹的原理。聚变发光又发热,发的光就是我们看到的阳光和星光,发的热会使气体膨胀。

随着气团不断被压缩,参与聚变反应的氢原子就不断增多,发热也就越多,气体膨胀的力量随之增大,一直增加到与引力达成平衡,这个时候气团的结构是稳定的,不膨胀也不压缩。

这种靠不停爆炸发热维持平衡的气团,就是:恒星。比如我们的太阳。

还有一些修炼入门失败的“准恒星”,引力刚好可以把中心少量的原子核拧到一起,但聚变反应不剧烈,不足以让整个星体燃烧,不像恒星那么耀眼。这种失败的恒星,就是:褐矮星。

还有更失败的,前期躲过了大气团吞噬幸存下来的小气团,引力不够大,气团中心拧不动原子核,没有聚变反应,也就没了发光发热,最后就成了:气态行星。比如,太阳系最大的行星,木星。

恒星依靠聚变爆炸都威力与引力抗衡,注定是一场徒劳。因为恒星质量不变,引力就不变,但聚变却不断消耗能量。

又不知是谁定下的规定,铁以下的原子核拧到一起会释放能量,铁以上的原子核拧到一起要消耗能量。反之,铁以上的原子核分裂会释放能量,铁以下的原子核分裂要消耗能量。这就是“聚变”和“裂变”的概念。

所以,引力把1个质子的氢拧成2个质子的氦,再往下拧成锂(3个质子)、碳(6个质子),一直拧到铁(26个质子)为止,再拧就是亏本买卖,不可持续了,因此这场较量,笑到最后的必然是引力。

而实际上,恒星根本没机会从容把氢拧成铁。因为越拧到后来越费劲,把2个氦拧一起就比拧2个氢要费劲很多,当恒星内部的氢大部分被拧成了氦之后,中心压力还不足以拧得动氦,所以恒星就失去了聚变爆炸的威力,于是引力就继续压缩恒星体积,一直压到氦聚变出手为止。

不过氦聚变不会轻易出手,堆在中心的氦首先是被压缩成简并态。这个简并态是个关键,可以理解为电子被压缩到没地方挪动了,像是一个超级高压锅。

如果恒星质量低于0.8倍太阳质量,内部压力不够大,那么这个高压锅就永远这么的了,俗称白矮星,因为成分是氦,也叫氦白矮星。

如果恒星质量高于2.0倍太阳质量,内部压力足够大,那么在变成高压锅之前,就足够把氦原子拧成碳原子。这样一来,氦聚变取代氢聚变,源源不断提供能量,气团就能继续与引力抗衡,恒星就会停止收缩,这一轮氦闪就算躲过去了。若干年后继续挑战下一轮碳闪,挑战失败就成为一颗碳白矮星,大名鼎鼎的砖石星就是此类。

如果恒星质量在0.8~2.0倍太阳质量之间,那就麻烦了,在变成高压锅之前,内部压力不足以发生氦聚变,在变成高压锅之后,内部压力还能继续压爆这个高压锅。

这个高压锅被压爆的一瞬间,氦聚变被点燃,这种失控的反应剧烈而短暂,称之为“氦闪”。科幻小说《流浪地球》的背景,就是太阳要氦闪,导致地球要流浪。

这些恒星就淘汰出局了,其他恒星继续晋级下一轮。

恒星一开始只在内部有聚变反应,因为只有这里的引力足够大,但随着体积缩小,引力不断增加,外层的氢也会逐渐参与聚变,而内部的氦聚变开始后又特别剧烈,加上体积急剧变化,整个过程异常复杂!

这种火药桶似的天体,就是:红巨星。

大块头的红巨星很少自然死亡,因为红巨星内部反应实在太复杂,聚变生成的各种新元素你来我往,弄到最后很难与引力维持平衡!

有时high过了头,一言不合就掀桌子,这可是宇宙间最牛逼的爆炸,没有之一!

这就是大名鼎鼎的:超新星爆炸。

根据不知谁定下的规定,只要能量足够就能拧原子核,这种剧烈爆炸的局部能量非常非常巨大,可以拧出各种超过铁的大号原子核,甚至是铀这种92个质子的怪胎。

这里有个很有意思的事情,如果没有超新星爆炸,宇宙里可能就只有氢氦锂碳氧等寥寥几种元素了,能不能诞生生命都是两说的事情。

所谓的元素,就是基本粒子在这场江湖纷争中的分分合合。

江湖在继续。

恒星通过超新星爆炸把这些年攒的家当全扔了出去,变成了弥散的宇宙尘埃,这些尘埃不像刚开始只有轻原子,而是含有各种轻重元素。

重元素可以结合形成固体,于是,江湖就不再是原来那个江湖了。

当然,一次超新星爆炸不足以产生足够的尘埃,此时用一将功成万骨枯来形容,再合适不过。

尘埃开始了新一轮的“拉帮结派”过程,因为可以形成固体,就不需要仅仅依靠引力聚在一起。换句话说,能以小块形式存在,所以,这些尘埃聚成了一颗颗小小的固体球。

这种很小很小的固体球,就是多数“行星”的来源。比如,咱们的地球。

大块头红巨星爆炸后或许还能剩下点内核,这种涅盘重生的内核往往修炼天赋极高,还有那些侥幸没爆炸的红巨星,晋级下一轮,继续修炼。

拧原子核是越到后来越费劲,恒星氦闪之后,内核把氦元素拧成了碳元素,偶尔还能拧出氧、氖或镁,通常到了这会,引力就不足以继续拧原子核了。

然后,依靠拧原子核的聚变威力与引力抗衡的时代一去不返,没有了聚变能量,引力又开始逞凶,继续压缩,一直压到“电子”有意见为止。电子也是有脾气的,聚变退休后,电子就扛起了与引力对抗的重担。

又不知是谁定下的规定,相同的电子是不能待一起的,这种压力叫“电子简并压”。但引力非要把电子摁到一起,于是简并压随着压缩不断增大,一直增大到与引力平衡为止,此时原子核已经被压缩的很致密了,密度达到10吨/立方厘米。能把一颗恒星压缩得和地球差不多大小。

这就是:白矮星。

小块头的白矮星没了聚变,若再没有外界的物质或能量输入,就逐渐冷却不再辐射,各种反应也停止了,变成一颗死星。

这是很多恒星的宿命:黑矮星。

不过,即便宇宙中第一颗恒星最终演化成了白矮星,到今天为止,仍没有彻底冷却变成死星,所以黑矮星只是个概念。宇宙,毕竟还是太年轻啊!

大块头的白矮星,引力实在太霸道,无视电子简并压,直接把电子摁到了原子核内,和质子一起形成中子,于是电子简并压就消失了。引力继续压缩,一直把电子都压进了原子核,成了中子。此时天体直径仅有10km大小,密度达到10亿吨/立方厘米,活脱脱一颗超超超大号的原子核,中子毫无缝隙的紧密挤压在一起。

这就是:中子星。

白矮星变成中子星的过程反应也是异常剧烈,通常,反应剧烈的天体动不动就超新星爆炸,有些中子星就是白矮星炸完形成的。顺便说一句,有时候天体还会相撞,这种程度的撞击,妥妥的超新星爆炸。

人类已经观察到的很多超新星爆炸就是,中子星撞上白矮星发生,中子星相撞。

因为天体在尘埃汇聚过程中都保留了原先的角动量,几乎都是旋转的,中子星自然不例外。根据角动量守恒,中子星变小后转的就很快,有些中子星的磁轴和自转轴不重合,就好比磁铁的N极和S极位置不停变化,就会发出非常有规律的电磁脉冲信号。因为太有规律,曾经一度被认为是外星人的信号。

这就是:脉冲星。

小块头的中子星,又是发热又是发信号,逐渐把能量折腾完,最终的宿命还是“黑矮星”。

大块头的中子星,引力还有余力继续压缩,最后的最后,把理论上无法压缩的中子压缩成了一个“奇点”,终于修炼到了巅峰,成了广为人知的“黑洞”!

黑洞的诡异之处在于,小而无内的基本粒子居然再度被压缩了,就好像一辆塞爆的公交车又挤上去100人。

我们不经要问,粒子是什么?空间又是什么?虽然量子场论对粒子已经有了一个勉强的解释,但相对论对空间给出的答卷就有些不够用了。

相对论认为,质量会引起空间的弯曲,黑洞质量如此之大,大到让空间极度弯曲,形成了一个空间闭环,啥东西也出不来,包括光。

但是,引力波的提出和发现,成了让人头疼的事情。引力原来和光一样,也是一种波,也是按照光速对外传播的。

于是,一个铁打的事实就摆在了眼前:黑洞无论多么抠门,无论把空间封闭成什么样,丝毫不影响引力对外传播。进一步说,以目前人类的认知,没有任何东西能影响引力的传播。

这让人不得不怀疑,引力会不会是在更高维度传播的?以至于可以无视我们三维世界的任何事情。

难怪物理学折腾四大基本力这么多年,唯独引力无法统一。

黑洞的事情就到这儿。

不过,黑洞、白洞、虫洞,三大吹牛好素材,另外两位也不能缺席。

白洞纯粹是数学公式上拍脑袋的产物。把黑洞数学模型的某个取值改了改,结果黑洞从“只进不出”变成了“只出不进”,然后就提出了白洞的概念。

白洞不但在观测上毫无依据,在理论上也难自圆其说。哪天找到了玉皇大帝,也不见得能找到白洞。

虫洞的概念就靠谱多了。广义相对论认为空间是可以弯曲的,引力足够大就可以把空间对折起来,如果有只虫子,从对折的空间中咬出一个洞,就可以实现空间跳跃,于是就给取了个“虫洞”的名字。

有人可能已经想到了,这么说起来,宇宙中的能量,归根结底来自最早期的氢,氢原子不断聚变,才为宇宙的演化提供了能量。

那么,最后还有个小问题:当宇宙中所有氢元素都聚变成了铁,接下来的路子该怎么走呢?


5条评论

  • anlle30

    讲的太好了,百听不厌。本期至少听了20遍啦,快记住了
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    2022-01-20 21:23

    十分科学SS 回复 @anlle30: 谢谢支持

  • mmyyhh7532

    石老师,宇宙中的粒子都变成铁之后咋办啊?这个科普讲座,不许留悬念的。
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    2021-09-07 18:41

    bwn1gxc6du7lii4n3e23 回复 @mmyyhh7532: 只是能量表现形式不一样,最终理论上都是可以相互转化的

  • mmyyhh7532

    咋感觉没结尾就结束了呢?
    回复
    2021-09-07 18:25