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恒星坍缩

2020.03.18

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坍缩(tān suō)指恒星的物质收缩而挤压在一起。在恒星生存期的某一阶段,其内部温度将会降低。在引力作用下,恒星内部物质的原子结构会遭到破坏并挤压收缩。
一切都是引力干的。是引力把星际云中的物质集聚起来形成了恒星。是引力在与因为核聚变反应形成的向外的辐射压相平衡,保持了恒星的稳定。也是引力使恒星坍缩的。

 过程

在恒星生存期的某一阶段,其内部温度将会降低,这样一来,引力将会成为一个主导的因素,结果,这颗恒星就会开始坍缩,在这个过程中,恒星内部物质的原子结构会遭到破坏。这样一来,原子将不复存在,替代它的将是一个个电子、质子和中子。 
一颗恒星将会坍缩到这样一种程度,这时电子的相互排斥力将使该恒星不能够再进一步坍缩。

这颗恒星于是就成为一颗“白矮星”。像太阳这样的恒星一旦坍缩成为一颗白矮星,它的全部物质将被挤压成为一个直径只有大约16000公里的球体,它的表面引力将变成地球表面引力的210000倍(因为它的质量虽然没有变,但是从表面到中心的距离则大大缩短了)。
在某些条件下,引力将变得如此之大,甚至能战胜电子之间的排斥力。结果,这颗恒星将会再度坍缩,并迫使其全部电子和质子彼此结合为中子,这样一来,这颗恒星将一直收缩到所有的中子都彼此接触为止。到了这一步,这个中子结构物又将会抵制进一步的坍缩,这颗星于是成为一颗中子星。这样的中子星将把太阳的全部质量压缩在一个直径只有16公里的球体内。结果,它的表面引力将是地球引力的210000000000倍。
在某些条件下,引力甚至能进一步战胜中子结构的抗拒。这时候,再也没有任何东西能够抵抗得住它的进一步坍缩了。
结果,这颗恒星就会坍缩到体积无限接近于零,而它的表面引力就会无限地增大。
根据相对论,一颗恒星所发射出来的光,当它克服该恒星的引力场而向外射出的时候,将会失去一定的能量。引力场越大,所失去的能量也越大。这一点已经由科学工作者经过天文观测和实验室实验得到证实。
由太阳这样的普通恒星发射出的光,它失去的能量是很有限的。由白矮星发射出的光会失去较多的能量;由中子星发射出的光会失去比这更多的能量。当这颗中子星进一步坍缩时,就会出现这样一种情况:从它的表面向外射出的光将会失去它的全部能量,从而根本不可能逃逸出去。
一个比中子星坍缩得更厉害的天体,它的引力场将是如此之强,以致任何靠近它的东西都将被它所捕获,并且再也不能从它里面逃逸出去。这就如同被捕获的物体落进一个无底洞的情况一样。而且,正如上面所说,甚至连光也不能逃逸出去,因此,这个坍缩了的天体将是黑的。正因为它既像个无底洞,而且又是黑的,所以天文学家就把它叫做“黑洞”。物体成为黑洞的临界半径被称为史瓦西半径,质量与史瓦西半径成正比。
但是有些大的恒星虽然质量大,但是体积也很大,难以发生坍缩。此时恒星在走向生命尽头时先会发生爆炸,即超新星爆发。爆炸会损失很多物质和能量,在能量损耗达一定程度后,恒星的内部能量就无法和自身引力相抗衡,于是发生坍缩,产生上面所述的过程。 

坍缩后 - 黑洞

1973年霍金、卡特尔(B. Carter)等人严格证明了“黑洞无毛定理”:“无论什么样的黑洞,其最终性质仅由几个物理量(质量、角动量、电荷)唯一确定”。即当黑洞形成之后,只剩下这三个不能变为电磁辐射的守恒量,其他一切信息(“毛发”)都丧失了,黑洞几乎没有形成它的物质所具有的任何复杂性质,对前身物质的形状或成分都没有记忆。其实这是一种消繁归简的命名原则!于是“黑洞”的术语发明家惠勒(J.A. Wheeler)戏称这特性为“黑洞无毛”。
详细内容
对于物理学家来说,一个黑洞或一块方糖都是极为复杂的物体,因为对它们的完整描述,即包括它们的原子和原子核结构在内的描述,需要有亿万个参量。与此相比,一个研究黑洞外部的物理学家就没有这样的问题。黑洞是一种极其简单的物体,如果知道了它的质量、角动量和电荷,也就知道了有关它的一切。黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆,它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征。有关黑洞的大多数术语的发明家约克·惠勒,在60年前把这种特征称为“黑洞无毛”。 


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