23.2：巨型恒星的演变——爆炸性结局

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述超新星之前巨星的内部
• 解释核心崩溃和爆炸的步骤
• 列出与附近超新星相关的危险

因此，由于质量损失，起始质量至少为8\(M_{\text{Sun}}\)（甚至更多）的恒星可能会以白矮星的身份结束生命。 但是我们知道恒星的质量可以高达150（或更多）\(M_{\text{Sun}}\)。 他们将面临另一种死亡。 正如我们将看到的，这些星星一声巨响而死。

重元素的核聚变

在其核心中的氦气耗尽后（参见《更多质量恒星的演变》），巨型恒星的演变过程与低质量恒星的演变过程截然不同。 在一颗巨大的恒星中，外层的重量足以迫使碳芯收缩，直到它变得足够热，可以将碳融合成氧气、霓虹灯和镁。 这种收缩、加热和点燃另一种核燃料的循环又重复了好几次。 每种可能的核燃料耗尽后，核心会再次收缩，直到达到足以融合更重的原子核的新温度。 碳聚变的产物可以进一步转化为硅、硫、钙和氩气。 当这些元素加热到更高的温度时，可以结合起来产生铁。 巨星很快就会经历这些阶段。 在真正巨大的恒星中，一些接近尾声的聚变阶段可能只需要几个月甚至几天的时间！ 这与他们在主序列阶段花费的数百万年相去甚远。

在其演化的这个阶段，一颗巨大的恒星就像一颗带有铁芯的洋葱。 随着我们离中心越来越远，我们会发现温度下降的外壳，其中核反应涉及质量逐渐降低的原子核——硅和硫、氧、霓虹灯、碳、氦气，最后是氢气（图\(\PageIndex{1}\)）。

图\(\PageIndex{1}\)：一颗老巨星的结构。 就在它最后一次引力崩溃之前，一颗巨星的核心就像洋葱。 铁芯周围环绕着硅和硫、氧气、霓虹灯、与一些氧气、氦气混合的碳，最后是氢气。 在核心之外，成分主要是氢气和氦气。 （请注意，这张图并不精确地按比例缩放，而只是为了传达这样一颗恒星会是什么样子的总体概念。）

但是，这种通过聚变构建元素的过程能持续多长时间是有限的。 事实证明，硅融合成铁是非爆炸性元素生产顺序中的最后一步。 到目前为止，每次聚变反应都产生了能量，因为每种聚变产物的原核比形成聚变产物的原核稳定一些。 正如《太阳：核强国》中所讨论的那样，轻核在融合成更紧密、更重的原子核的过程中会放弃部分结合能。 正是这种释放的能量维持了核心的向外压力，从而使恒星不会崩溃。 但是在所有已知的原子核中，铁是结合最紧密的，因此也是最稳定的。

你可能会这样想情况：所有较小的原子核都想要 “长大”，像铁一样，它们愿意为实现这个目标付出代价（产生能量）。 但是铁是一个成熟的核，具有良好的自尊心，完全满足于铁；它需要付费（必须吸收能量）才能改变其稳定的核结构。 这与迄今为止每次核反应中发生的情况完全相反：任何涉及铁的核反应都不会提供能量来平衡重力的内向拉力，而是会从恒星的核心消耗一些能量。

由于无法产生能量，这颗恒星现在面临灾难。

崩溃成中子球

当核反应停止时，巨星的核心由退化电子支撑，就像白矮星一样。 对于开始进化的质量至少为10的恒星来说\(M_{\text{Sun}}\)，这个核心可能主要由铁组成。 （对于初始质量在8到10之间的恒星\(M_{\text{Sun}}\)，核心很可能由氧气、霓虹灯和镁组成，因为恒星永远不会变得足够热，无法形成像铁一样重的元素。 在这个质量范围内恒星核心的确切组成很难确定，因为岩心的物理特性很复杂，尤其是在所涉及的密度和温度非常高的情况下。） 在讨论中，我们将重点讨论更大的铁芯。

虽然恒星的白矮星核心内没有产生任何能量，但核心周围的炮弹中仍然会发生聚变。 当炮弹完成聚变反应并停止产生能量时，最后一次反应的灰烬落在白矮星核心上，从而增加其质量。 如第 23.1 节\(23.1.1\)中的图所示，质量越高意味着核心越小。 核心可以收缩，因为即使是退化的气体仍然大部分是空白空间。 毕竟，电子和原子核非常小。 与房间里的空气相比，恒星核心中的电子和原子核可能很拥挤，但它们之间还有很大的空间。

起初电子不会被挤得更近，因此核心只会少量缩小。 但是，最终，铁芯的质量如此之大，以至于即使是退化的电子也无法再支撑它。 当密度达到 4×10 ¹¹ g/cm ³（水密度的4000亿倍）时，一些电子实际上会被挤入原子核，在那里它们与质子结合形成中子和中微子。 这种转变并不是人们在日常生活中熟悉的事情，但是随着如此巨大的恒星核心崩溃，这种转变变得非常重要。

有些电子现在已经消失了，因此核心再也无法抵抗恒星上覆层的破碎质量。 核心开始迅速收缩。 现在，越来越多的电子被推入原子核，原子核最终会被中子饱和，以至于它们无法抓住它们。

此时，中子被挤出原子核，可以施加新的力量。 事实证明，与电子一样，中子强烈抵抗在同一个地方和以相同的方式移动。 这种退化的中子可以施加的力远大于退化电子产生的力，因此，除非核心太大，否则它们最终可以阻止崩溃。

这意味着崩溃的核心可以像主要由中子组成的碎球一样达到稳定状态，天文学家称之为中子星。 我们没有中子星最大质量的确切数字（“钱德拉塞卡尔极限”），但计算告诉我们，由中子组成的物体的质量上限可能只有大约3\(M_{\text{Sun}}\)。 因此，如果核心的质量大于这个值，那么即使是中子退化也无法阻止核心进一步崩溃。 垂死的恒星最终肯定会变成更加压缩的东西，直到最近，人们还认为它只是一种可能的物体类型——被称为黑洞的终极压实状态（这是我们下一章的主题）。 这是因为据信不存在任何力量可以阻止中子星阶段之外的崩溃。

崩溃和爆炸

当高质量恒星核心的崩溃被退化的中子阻止时，核心可以免受进一步的破坏，但事实证明，恒星的其余部分实际上已经被炸毁了。 这是怎么发生的。

当电子被原子核吸收时发生的崩溃速度非常快。 在不到一秒钟的时间内，质量约为1\(M_{\text{Sun}}\) 的岩心（最初大约相当于地球的大小）崩溃到直径小于20千米。 物质向内掉落的速度达到光速的四分之一。 只有当核心的密度超过原子核（这是我们所知道的最密集的物质形式）的密度时，崩溃才会停止。 一颗典型的中子星被压缩得如此之大，以至于要复制它的密度，我们必须将世界上所有的人挤成一个方糖！ 这将给我们一颗方糖（价值一立方厘米）的中子星。

中子退化核心强烈抵抗进一步的压缩，突然阻止了崩溃。 突然震动的冲击引发了冲击波，冲击波开始向外传播。 但是，光靠这种冲击不足以造成恒星爆炸。 流出的物质产生的能量很快被密集的上覆气体层中的原子核吸收，在那里它将原子核分解成单个中子和质子。

我们对核过程的理解表明（如上所述），每当恒星核心中的电子和质子合并形成中子时，合并都会释放出中子。 在《太阳：核强国》中引入的这些幽灵般的亚原子粒子带走了一些核能。 正是它们的存在引发了恒星的最后一次灾难性爆炸。 中微子中所含的总能量是巨大的。 在恒星爆炸的最初一秒，中微子携带的功率（10 ⁴⁶ 瓦特）大于超过十亿个星系中所有恒星发出的功率。

虽然中微子通常不会与普通物质发生太多相互作用（我们之前指责它们是彻头彻尾的反社会行为），但倒塌恒星中心附近的物质非常密集，以至于中微子确实在某种程度上与普通物质相互作用。 它们将其中一部分能量沉积在核心外的恒星层中。 这种巨大的、突然的能量输入扭转了这些层的流入，并使它们爆炸性地向外驱动。 然后，恒星的大部分质量（除了进入核心中子星的质量外）向外喷射到太空中。 正如我们之前看到的，这样的爆炸需要一颗至少为8的恒星\(M_{\text{Sun}}\)，而中子星的质量最多为3\(M_{\text{Sun}}\)。 因此，在每次这样的爆炸事件中，至少有五倍于我们太阳质量的射入太空！

由此产生的爆炸称为超新星（图\(\PageIndex{2}\)）。 正如我们将在下一节中讨论的那样，当这些爆炸发生在附近时，它们可能是最壮观的天体事件之一。 （实际上，至少有两种不同类型的超新星爆炸：我们所描述的那种，即一颗巨星的崩溃，出于历史原因，被称为二型超新星。 我们将在本章后面描述这些类型的不同之处）。

图\(\PageIndex{2}\)：其他星系中的五次超新星爆炸。 第一行图像中的箭头指向超新星。 底行显示了恒星爆炸之前或之后的宿主星系。 这些超新星中的每一个都在35亿至100亿年前爆炸。 请注意，超新星首次爆炸时可能像整个星系一样明亮。

下表\(\PageIndex{1}\)总结了迄今为止关于不同初始质量的恒星和星下物体在生命尽头会发生什么情况的讨论。 就像我们的许多科学理解一样，这份清单代表了一份进度报告：这是我们利用目前的模型和观测结果所能做的最好的报告。 随着模型的改进，与各种结果相对应的质量限制可能会有所变化。 关于恒星死亡时会发生什么的细节，我们还有很多不了解的地方。

40”。 “生命尽头的最终状态” 栏下有以下值：“行星”、“褐矮星”、“主要由氦气组成的白矮星”、“主要由碳和氧气组成的白矮星”、“由氧气—霓虹—镁制成的白矮星”、“留下中子星的超新星爆炸” 和 “留下中子星的超新星爆炸”黑洞”。">

表\(\PageIndex{1}\)：不同质量的恒星和星下物体的终极命运

初始质量（太阳质量 = 1）^1	生命尽头的最终状态
< 0.01	星球
0.01 到 0.08	褐矮星
0.08 到 0.25	白矮星主要由氦气制成
0.25 到 8	白矮星主要由碳和氧气组成
8 到 10	由氧气、霓虹灯和镁制成的白矮星
10 到 40	离开中子星的超新星爆炸
> 40	留下黑洞的超新星爆炸

超新星 Giveth 和 Supernova Taketh Away

在超新星爆炸之后，一颗巨星的生命结束了。 但是，每颗巨星的死亡是其银河系历史上的一个重要事件。 在恒星生命周期中聚变积起来的元素现在可以通过爆炸 “回收” 到太空中，从而使它们可用于丰富形成新恒星和行星的气体和尘埃。 由于超新星喷出的这些重元素对于行星的形成和生命起源至关重要，因此可以公平地说，如果没有超新星和行星星云的质量损失，本书的作者和读者都不会存在。

但是超新星爆炸还有另一个创造性的贡献，我们在《从青春期到晚年的星星》中提到了这一点，当时我们问你的珠宝中的原子来自哪里。 超新星爆炸产生大量高能中子，这些中子穿过膨胀的物质。 这些中子可以被铁和其他原子核吸收，然后它们可以变成质子。 因此，它们会积累比铁更大的元素，包括金银等地面上最受欢迎的元素。 这是我们所知道的唯一可以制造铅或铀等重原子的地方。 下次你佩戴一些黄金首饰（或者把一些送给你的爱人）时，请记住，那些金原子曾经是爆炸恒星的一部分！

当超新星爆炸时，这些元素（以及恒星在更稳定的时期产生的元素）会被喷射到恒星之间的现有气体中并与之混合。 因此，超新星在用较重的元素丰富银河系方面起着至关重要的作用，除其他外，随着时间的推移，构成类地球行星的化学元素和生命的基石变得越来越普遍（图\(\PageIndex{3}\)）。

图\(\PageIndex{3}\)：开普勒超新星 Remant。 这张照片显示了包括著名天文学家约翰内斯·开普勒在内的天空观察家在大约 400 年前首次看到的超新星爆炸遗迹。 气体和尘埃的气泡状裹尸布现在宽度为14光年，并以每秒 2,000 千米（每小时 400 万英里）的速度膨胀。 残余物以从 X 射线（以蓝色和绿色显示）到可见光（黄色）和红外（红色）的波长发射能量。 膨胀的外壳富含铁，铁是在爆炸的恒星中产生的。 主图像将底部看到的单色图像合并为一张多波长图片。

超新星也被认为是《宇宙射线》中讨论的许多高能宇宙射线粒子的来源。 爆炸恒星产生的粒子被银河系的磁场困住，继续在银河系的巨大螺旋中循环。 科学家推测，数十亿年来，高速宇宙射线击中地球生物的遗传物质，可能促成了推动我们星球生命进化的稳步突变（遗传密码的微妙变化）。 在我们提到的所有方面，超新星在新一代恒星、行星和生命的发展中发挥了作用。

但是超新星也有阴暗面。 假设生命形态不幸围绕着一颗恒星发育，而恒星恰好位于注定要成为超新星的大型恒星附近。 当来自邻近恒星爆炸的刺激辐射和高能粒子到达它们的世界时，这样的生命形式可能会发现自己被扼杀了。 如果像一些天文学家推测的那样，生命可以在许多行星上围绕长寿命（低质量）恒星发育，那么生命自己的恒星和行星的适用性对其长期演变和存活可能并不重要。 生命很可能已经围绕着许多令人愉悦的稳定恒星形成，但由于附近一颗巨大的恒星突然变成了超新星，所以生命被消灭了。 正如在战区出生的孩子可能会发现自己是暴力邻居的不公正受害者一样，生活离超新星恒星太近也可能成为在错误时间出生在错误地点的牺牲品。

距离超新星爆炸的安全距离是多少？ 很大程度上取决于特定爆炸的暴力程度，它是哪种类型的超新星（参见《双星系统的演变》），以及我们愿意接受的破坏程度。 计算表明，距离我们不到50光年的超新星肯定会终结地球上的所有生命，而即使距离100光年的超新星也会对这里的辐射水平产生严重影响。 大约 200 万年前，地球上的一次海洋生物的小规模灭绝实际上可能是由距离大约 120 光年的超新星造成的。

好消息是，目前没有任何巨大的恒星有望在距离太阳 50 光年内成为超新星。 （部分原因是那些变成超新星的大型恒星总体上非常罕见。） 离我们最近的巨星斯皮卡（在处女座星座中）距离大约260光年，即使它将在不久的将来作为超新星爆炸，也可能是一个安全的距离。

示例\(\PageIndex{1}\)：极限重力

在本节中，向您介绍了一些非常密集的对象。 这些物体的重力会对你产生什么影响？ 回想一下\(F\)，两个物体之间的重力计算公式为

\[F=G\dfrac{M_1M_2}{R^2} \nonumber\]

其中\(G\)是引力常数\(6.67 \times 10^{–11} \text{ Nm}^2/\text{kg}^2\)\(M_1\)，\(M_2\)是两个物体的质量，\(R\)是它们的分离。 另外，根据牛顿第二定律，

\[F=M \times a \nonumber\]

其中\(a\)是有质量的物体的加速度\(M\)。

因此，让我们考虑一下群众（比如说你）站在诸如地球或白矮星（我们假设你将穿着耐热太空服）之类的物体上的情况。 你是\(M_1\)，你所站立的身体是\(M_2\)。 你和你所站立的身体的重心之间的距离是它的半径\(R\)。 施加在你身上的力量是

\[F=M_1 \times a=G\dfrac{M_1M_2}{R^2} \nonumber\]

求解\(a\)，那个世界上的重力加速，我们得到

\[g= \frac{ \left(G \times M \right)}{R^2} \nonumber\]

请注意，我们已经将加速度的通用符号替换为科学家用于重力加速的符号\(g\)。\(a\)

假设特定的白矮星的质量相当于太阳（2×10 ³⁰ kg），但半径为地球（6.4×10 ⁶ m）。 白矮星表面的重力加速度是多少？

解决方案

白矮星表面的重力加速度为

\[ g \text{ (white dwarf)} = \frac{ \left( G \times M_{\text{Sun}} \right)}{R_{\text{Earth}}^2} = \frac{ \left( 6.67 \times 10^{−11} \text{ m}^2/\text{kg s}^2 \times 2 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}{ \left( 6.4 \times 10^6 \text{ m} \right)^2}= 3.26 \times 10^6 \text{ m}/\text{s}^2 \nonumber\]

将其与地球表面的 g（9.8 m/s ²）进行比较。

练习\(\PageIndex{1}\)

如果白矮星的质量是太阳的两倍并且只有地球半径的一半，那么地表的重力加速度是多少？

回答

\[ g \text{ (white dwarf)} = \frac{ \left( G \times 2M_{\text{Sun}} \right)}{ \left( 0.5R_{\text{Earth}} \right)^2}= \frac{ \left(6.67 \times 10^{−11} \text{ m}^2/\text{kg s}^2 \times 4 \times 10^{30} \text{ kg} \right)}{ \left(3.2 \times 10^6 \right)^2}=2.61 \times 10^7 \text{ m}/\text{s}^2 \nonumber\]

摘要

在一颗巨大的恒星中，核中的氢聚变之后是其他几种涉及较重元素的聚变反应。 就在它耗尽所有能量源之前，一颗巨大的恒星有一个铁芯，周围环绕着硅、硫、氧、霓虹灯、碳、氦气和氢气壳。 铁的聚变需要能量（而不是释放能量）。 如果恒星铁芯的质量超过钱德拉塞卡尔极限（但小于3\(M_{\text{Sun}}\)），则核心会崩溃，直到其密度超过原子核的密度，形成典型直径为20千米的中子星。 核心反弹并向外转移能量，在 II 型超新星爆炸中吹走恒星的外层。

脚注

¹ 质量范围为 0.25—8 和 8—10 的恒星稍后可能会产生一种与我们迄今为止所讨论的不同类型的超新星。 这些在《双星系统的演变》中进行了讨论。

词汇表

中子星

一个密度极高的紧凑型物体，几乎全部由中子组成

II 型超新星

在质量超过太阳质量大约 10 倍的恒星演化终点产生的恒星爆炸