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恒星都依靠“质子,质子链反应”产生辉煌的光与热
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2023.03.30 四川

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早在北宋至和元年时期,在一望无边的夜空中出现一颗“天关客星”,这颗星星所发出光的亮度,除了“日与月”之外“天关客星”的光度比肉眼所见的一切天体都要耀眼,这是人类历史上有记载的唯一一次肉眼可见的超新星爆炸,恒星质量超过8倍太阳质量的大质量恒星衰亡时的最后光辉时刻,同时也是宇宙景色中最绚烂的景观之一,一颗大质量恒星,往往拥有数千万年乃至数亿年的寿命,但它在死亡时仅仅会短暂地闪烁数天或数百天,人类的生命最长也不过短短百年,若能亲眼观赏到超新星爆炸所带来的眼球感观,或许将来有机会给子孙后代亲口讲述,那真的是人生一大美事。

图解:超新星遗迹——天关客星

为什么天上的星星会爆炸呀?

宇宙中的每一颗星辰,都诞生于浩瀚的气体云团之中,这些星际气体的主要成分是最简单的元素——“氢”。氢分子云在引力的作用下向内收缩、靠拢,形成一个质量越来越大的“氢球”,越来越大的质量意味着越来越大的引力,在外层越来越厚重的气体的挤压下,“氢球”的内核变得越来越热,当内核的温度超过了氢原子之间的“库伦斥力”时,氢核将被挤在一起,一部分氢核将释放出一个正电子与一个中微子,变成中子。之后,氢核与中子结合形成——“氘”,氘与氢结合形成——“氦-3”,两个氦-3结合形成一个氦,并释放出两个质子,这一系列反应被称为“质子-质子链反应”。

宇宙所有正值“青年”与“壮年”的恒星都依靠此反应产生辉煌的光与热,恒星内核中产生的能量向外辐射的同时,也抵抗着迫使恒星向内坍塌的重力,这段描述大家可以大致参考“热胀冷缩”的原理,恒星内核产生的能量越高,恒星就越热,从而越容易膨胀,而恒星的质量越大,其产生的重力就越大,从而越容易迫使恒星收缩,这两种力量相互对抗,相互制衡,于是是恒星有了比较稳定的体积。

“质子-质子链反应”生成的氦元素便堆积在恒星的内核中,当核心中的氢元素渐渐耗尽之时,氢聚变反应放出有能量越来越低,重力便步步紧逼,向内核压来,更大的重力挤压产生了更高的核心温度,使内核中的元素开启氦聚变,氦聚变放出的热量比氢聚变更高,突如其来的高温又引燃了核心外层的氢元素,剧烈的热量释放将整颗恒星搅得像一锅翻滚的开水,重力在巨大的热能面前节节败退,恒星像一个气球一样被吹胀,此时,这颗恒星就变成了一颗衰老的红巨星。

所有质量高于0.8倍太阳质量的恒星都将经历这一阶段,此时,不同的恒星将面对不同的情况,对于那些质量小于8倍太阳质量的恒星,万有引力无法抵挡核心氦聚变喷吐出的能量,恒星外层物质将被剧烈的“氦闪”吹散,在宇宙中留下一个光滑的肥皂般的“行星状星云”,而它的内核将孤独地悬浮在中央,化为一颗炽热的“白矮星”。

质量高于倍太阳质量的恒星,足够大的质量带来足够大的万有引力会继续维持着恒星的完整,且更大的重力挤压能够赋予恒星核心更高的温度,这种恒星的内核将继续着元素聚变,氦元素耗尽后便开始碳聚变,碳耗尽之后开始氖聚变,之后还会继续氧聚变,镁聚变,硅聚变,恒星的内核将变成一个巨大的“元素工厂”,这样的“元素工厂”现象会一直持续到硅聚变发生。

硅聚变的产物是铁,铁是元素周期表上“比结合能”最高的物质,铁即使聚变也不再释放能量 ,反而还会消耗能量,此时的恒星内核中,巨大的压力将原子核与电子压紧,原子核与电子之间宽广的空隙荡然无存,彼此紧密地聚成一团,依靠电子的泡利不相容产生的简并压力维持着体积,这种形态被称作“电子简并态”,但简并压力也有自身的极限,随着恒星内核“元素工厂”产生的元素越来越多,越来越重,当核心质量达到1.44倍太阳质量时,简并压力在越来越大的重力挤压下也达到了自身极限,这就是“钱德拉塞卡极限”。

此时,简并压力被重力压垮,恒星内核轰然坍缩,核心外的物质将以23%光速的速度撞向铁核,巨大的压力将电子挤入原子核,促使它的质子演化变成中子,而中子将会拥有比质子更强的简并压力,通常足以抵制外层物质的撞击,猛烈撞击核心的外层物质,被同样猛烈地反弹回去,整颗恒星在如此猛烈的冲击中被炸出四分五裂,巨大的能量足以迫使元素们聚变成比铁更重的元素,元素周期表第五周期以及其后的所有重元素绝大多数都是在猛烈的超新星爆发中被抛洒向宇宙各地的。

铁,元素周期表上“比结合能”最高的物质

“比结合能”=“总结能”/(除以)原子核中的核子个数

原子核简称“核子”,它就是质子与中子结合在一起的产物,核子的结构是非常紧密的,想要将它们分离出来需要能量,这种剥离它们的能量就是原子的“结合能”,在物理学的认知中组成原子的核子数越多,原子核的“总结合能”就越大。

“比结合能”

又名“平均结合能” ,代表原子核中每个核子的结合能的平均值,比结合能更高的元素,由此可知原子核数量越多原子核就越稳定,铁元素是所有目前已知元素中拥有最高的“比结合能”,也就是说铁元素拥有宇宙中最稳定的原子核,所以,质量比低的轻元素聚变成更重的元素能够释放能量,质量铁高的重元素裂变成更轻的元素能够释放能量,而铁无论裂变还是聚变,迫使它进行核反应需要的能量都大于铁裂变或聚变能够释放的能量。

众所周知,宇宙诞生之初,飘荡在太空中的只有氢元素,我们今天能触及的一切物质都是在恒星内核中一步步聚变而来的,组成我们细胞的碳,骨骼中的钙,每时每刻呼吸的氧,在不知多么久远的时间之前,一颗超级星喷吐出的物质,形成了我们的太阳系,地球上每一个人曾经都是一颗星辰,我们的肉体与灵魂即是亘古的星辰在这银河中留下的余晖,我们老去之后组成我们躯体的一个个粒子,终将回归广袤的宇宙,我们亦是星尘......

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