恒星小傳之大質(zhì)量恒星

陳若穎

我是宇宙里最重的那一類(lèi)恒星——大質(zhì)量恒星。同學(xué)們，你們是不是覺(jué)得太陽(yáng)叔叔的質(zhì)量是地球質(zhì)量的33萬(wàn)倍，已經(jīng)算是個(gè)非常了不起的龐然大物了？其實(shí)不然，太陽(yáng)在我們的恒星大家族里，只能算是一個(gè)小家伙。它的一生在我眼里平淡無(wú)奇，遠(yuǎn)比不上我這類(lèi)恒星波瀾壯闊，尤其是在生命的最終階段，我活得如夏花般絢爛！

嚴(yán)格意義上講，中年期的我們并沒(méi)有什么特殊之處，只不過(guò)因?yàn)轶w重至少比太陽(yáng)要重8倍，所以我內(nèi)部產(chǎn)生的引力非常巨大，燃燒得也更加劇烈，相應(yīng)地，身體溫度也就更高。比如太陽(yáng)的表面大約有6000攝氏度，看起來(lái)是橘黃色的。而像我們這樣的大質(zhì)量恒星，中年期的表面溫度至少能夠達(dá)到2萬(wàn)攝氏度，外表看起來(lái)呈藍(lán)色。

更高的體溫不僅僅影響了我們的外表，還影響了我們的內(nèi)在。還記得上回說(shuō)到，太陽(yáng)身體里只能夠完成氫、氦的核聚變嗎？我核心區(qū)的巨大溫度和壓力，能夠讓更多元素發(fā)生核聚變反應(yīng)！我們都知道，當(dāng)太陽(yáng)身體里的氫燃燒快要結(jié)束時(shí)，就會(huì)點(diǎn)燃核心區(qū)的氦，膨脹形成內(nèi)部氦燃燒、外部氫燃燒的紅巨星。同樣的道理，當(dāng)我身體里的燃料即將燃燒殆盡時(shí)，如果你能一刀把我對(duì)半剖開(kāi)（當(dāng)然，因?yàn)槲业纳眢w主要由氣體構(gòu)成，所以這個(gè)操作可能只能存在于想象中），就會(huì)發(fā)現(xiàn)我的內(nèi)部構(gòu)造好像一個(gè)巨型洋蔥：從內(nèi)到外有好幾個(gè)同心圓，幾乎每個(gè)同心圓里都正在進(jìn)行著不同元素的核聚變反應(yīng)。從最外層一路數(shù)進(jìn)來(lái)，分別是氫、氦、碳、氧、硅的燃燒層和一個(gè)鐵質(zhì)的核心。這個(gè)時(shí)期，我們的身體一樣會(huì)向外膨脹，變成一顆“紅超巨星”（因?yàn)橄蛲馀蛎洉r(shí)溫度降低，顏色會(huì)逐漸由藍(lán)變紅）。你們所熟知的參宿四、心宿二都是著名的紅超巨星。

其實(shí)按照我中年期的質(zhì)量，核心區(qū)的溫度和壓力足以讓鐵或比鐵更重的原子也發(fā)生聚變反應(yīng)，生成諸如金、銀等原子，但為什么我有一個(gè)鐵質(zhì)核心而不是更重元素的核心呢？這是因?yàn)楸辱F輕的元素的核聚變反應(yīng)都是放熱反應(yīng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是我能夠通過(guò)它們“發(fā)光發(fā)熱”的核聚變反應(yīng)，抵抗自身質(zhì)量形成的強(qiáng)大引力，讓身體不至于向內(nèi)坍縮。但是鐵元素的核聚變不是放熱反應(yīng)，而是吸熱反應(yīng)，這種反應(yīng)不但無(wú)法產(chǎn)生推力，抵抗外圍的引力，反而會(huì)加快我向內(nèi)坍縮的速度。所以說(shuō)，無(wú)論多么重的恒星，一旦聚變到鐵元素，就意味著它的生命開(kāi)始倒計(jì)時(shí)了。

當(dāng)我體內(nèi)的核聚變反應(yīng)達(dá)到極致時(shí)，核心區(qū)的溫度能夠高達(dá)數(shù)十億攝氏度！此時(shí)，體內(nèi)巨大的溫度和壓力會(huì)讓光子以很高的能量擊穿鐵原子，反而開(kāi)始了鐵原子的核裂變反應(yīng)。在恒星內(nèi)部充滿游離電子的情況下，鐵的核裂變反應(yīng)最終會(huì)生成中子和中微子——中子在核心區(qū)聚集，而中微子帶著能量逃逸了出去。你也知道，我們恒星的質(zhì)量越大，體內(nèi)的“新陳代謝”越快。作為一顆大質(zhì)量恒星，我體內(nèi)的核裂變反應(yīng)以極快的速度進(jìn)行著，進(jìn)而快速生成了大量中微子。這些中微子的逃逸使得我體內(nèi)能量驟減，巨大的引力失去了對(duì)手，于是我的核心會(huì)快速向內(nèi)坍縮，速度甚至能夠達(dá)到1萬(wàn)千米/秒！這種“暴縮”讓核心區(qū)的中子緊密相挨，形成一個(gè)密度、硬度都極大的致密中子核心。

一旦外殼的核反應(yīng)因?yàn)槿剂喜蛔愣Ｖ?，引力?huì)使得外層物質(zhì)以更快的速度向內(nèi)坍縮。坍縮時(shí)，大量快速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)碰上致密的中子核心，就像是無(wú)數(shù)高速炮彈打上了一堵堅(jiān)硬的鐵墻，巨大能量統(tǒng)統(tǒng)被反彈回來(lái)，甚至可以把我的外殼炸得粉碎，形成宇宙中最壯麗的“煙花”——超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)是我們大質(zhì)量恒星一生中最絢爛的一刻，甚至能夠以一己之力照亮整個(gè)星系！部分特別明亮的超新星，你們甚至可以在白天都能清晰地看見(jiàn)，它會(huì)持續(xù)幾個(gè)月甚至一兩年才會(huì)慢慢暗淡下去。

超新星爆發(fā)后，我的身體同樣被分成了兩部分——外層的氣體、塵埃和一個(gè)致密的中子核心。那些身為“煙花余跡”的氣體和塵埃會(huì)繼續(xù)向外膨脹，并在未來(lái)的數(shù)百萬(wàn)年里慢慢消散，變成下一代恒星成長(zhǎng)的養(yǎng)料。而那個(gè)致密的中子核心，則會(huì)根據(jù)核心的質(zhì)量，演化成“宇宙燈塔”中子星或“宇宙吸塵器”黑洞。想知道這中子星和黑洞又是什么東西嗎？我們下回再來(lái)一起聊聊吧！