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[!--downpath--]科普讀懂君《科普數(shù)學(xué)100課》系列
【第十七課：星光體的生命】
這段時(shí)間科普量子熱的知識很多，讀者可能看膩了。 明日換口味說星。
事實(shí)上，很多人對恒星知之甚少，基本停留在主動(dòng)發(fā)光的物體就是恒星的概念上。
事實(shí)上，作者會(huì)拒絕晦澀難懂。 依然保持著簡潔的文風(fēng)。
故事從人類思維難以理解的層面開始。 在這個(gè)層面上，有一個(gè)“東西”在抱怨：啊，受不了了，我的密度太高了，感覺特別“擠”，默默的要炸了，就炸了！ 這就是奇點(diǎn)，它的體積無限小，密度無限大。 它在138.2億年前爆炸，從此有了物質(zhì)、時(shí)間和空間。 這就是大爆炸。
其實(shí)一開始吹的元素很簡單，基本就是氫，重元素就是后話了。 氫元素很快相遇并結(jié)合成一種新元素，即氦。
宇宙誕生之初，99%的物質(zhì)結(jié)構(gòu)都是氫和氦。 事實(shí)上，其中大部分是氫氣。
星云中的氫元素?cái)?shù)不勝數(shù)，實(shí)在是太多了。 在引力的作用下，氫分子會(huì)聚集在一起，就像滾雪球一樣，越聚越多。 氫元素在一定程度上結(jié)合形成了原始天體。 它的引力使更多的氫元素投入了懷抱。
原天體的引力越來越強(qiáng)，外面越來越多的氫元素與天體碰撞，沖擊力也越來越大。 天體核心的氫原子越來越密集，能量和動(dòng)量也越來越大。 天體核心的氫原子運(yùn)動(dòng)越來越劇烈，宏觀表現(xiàn)為溫度越來越高。
當(dāng)水溫達(dá)到數(shù)千萬攝氏度時(shí)，地核中的氫元素相互碰撞的強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致彼此的原子核剛好粘在一起。 原子核一旦靠近，就會(huì)產(chǎn)生核力，就很難分開了。 因此，四個(gè)氫原子加起來形成一個(gè)新的原子核，這就是氦原子核。
其實(shí)你會(huì)指出，四個(gè)氫原子核攜帶四個(gè)質(zhì)子，合成后也是鈹元素。 不會(huì)，因?yàn)橘|(zhì)子中的夸克會(huì)重新結(jié)合，導(dǎo)致質(zhì)子變成中子。
從氫變成氦不過是原子核的重組，這就是核聚變，會(huì)釋放出大量的能量，也就是高能光子（伽馬射線）
這種高能光子是從原天體的核心區(qū)域爆發(fā)出來的，然后飛了出去。
核心區(qū)外被大量的氫元素包圍著。 這個(gè)高能光子要一個(gè)個(gè)穿過周圍的氫元素，才能沖破重圍。 因此，原本的高能光子首先將能量傳遞給被第一層包圍的氫元素，而這個(gè)氫元素吸收高能光子，然后釋放光子，一層層向外擴(kuò)散。 每一層都會(huì)“腐蝕”一部分高能光子的能量。 直到這樣的高能光子突破了原天體所有氫元素的包圍，來到了宇宙中，它們的能量已經(jīng)增加了不少。 這就是我們能看到陽光的原因。
高能光子是波長極短、頻率極高的電磁波。 它們的波長小于10^-12m，而可見光的波長在3.8×10^-7m到7.8×10^-7m之間。 只有當(dāng)高能光子的波長降低到可見光范圍內(nèi)，我們才能看到它。 高能光子的能量減少意味著波長更長。 所以我們之所以能看到太陽光，是因?yàn)樘栔胁康臍湓貙诵膮^(qū)發(fā)射的高能光子的能量“腐蝕”到了太陽的外圍。
恒星的核心不斷地進(jìn)行核聚變，并釋放出高能光子。 核聚變反應(yīng)不會(huì)在恒星的中部到表面發(fā)生，因?yàn)闇囟忍停环祥_始核聚變的條件。 所以我們看到的光都是太陽核心發(fā)出的光子。 這種光子不容易從太陽中逸出，除了被外圍元素的能量波摩擦之外，還會(huì)滯后很長時(shí)間。
從太陽核心發(fā)出的光要經(jīng)過數(shù)百萬年才能離開太陽。 這是因?yàn)楹诵陌l(fā)射的光子會(huì)被相鄰?fù)鈬鷼湓拥暮送怆娮游眨漳芰康碾娮犹幱诒l(fā)狀態(tài)，然后釋放光子，新釋放的光子再傳輸向更外圍的氫原子……這樣推，直到它脫離太陽表面。 這些吸收-釋放-再吸收-再釋放……過程需要時(shí)間。
按理說，太陽核心外的氫元素應(yīng)該向上坍縮，因?yàn)楹诵挠袕?qiáng)大的引力。 但為什么太陽能保持相對穩(wěn)定的體積呢？
這是由于太陽核心的核聚變不斷釋放能量，其強(qiáng)度足以抵抗引力。
一開始，太陽的核心區(qū)域只發(fā)生了核聚變，外面的原子還在吃瓜。 因?yàn)樗鼈儽缓诵尼尫诺哪芰可淞鳌罢ā绷耍M(jìn)不去充當(dāng)燃料！ （這是恒星的主序星階段，太陽目前處于這個(gè)階段，可以維持50億年）
當(dāng)恒星核心區(qū)的氫全部凝聚成氦后，進(jìn)一步的核聚變必然凝聚成更重的原子核。 而且融合度越高，需要的溫度就越高。 此時(shí)，核心的溫度不足以打開從氦聚變成更高元素的條件。
于是核心區(qū)的聚變反應(yīng)暫時(shí)停止了。 而且與核心區(qū)相鄰的外圍氫元素對聚變的濕度沒有那么嚴(yán)格的要求，所以核聚變開始向外移動(dòng)。
向外運(yùn)動(dòng)的核聚變會(huì)形成大量的氦，這些氦會(huì)落入恒星的核心，越來越多的氦會(huì)被核心吸收，導(dǎo)致核心物質(zhì)密度下降，溫度升高，終于達(dá)到了啟動(dòng)第二輪核聚變的條件。
此時(shí)，核心的聚變反應(yīng)已經(jīng)從氦變成碳，而外圍的聚變還在氫變成氦的過程中。 如果核心中的所有氦都聚集成碳或氧，需要更高的溫度才能開始更高層次的聚變，即從碳到硅再到鐵，所以核心區(qū)會(huì)暫時(shí)停止。 與此同時(shí)，核聚變繼續(xù)向外移動(dòng)到恒星表面，向外聚變的產(chǎn)物就是內(nèi)部聚變?nèi)剂稀?恒星表面的氫凝聚成氦，氦在外層作為氦→碳的聚變?nèi)剂希荚谕鈱幼鳛樘肌璧木圩內(nèi)剂稀?如此一來，核心區(qū)域便凝聚成了鐵元素。 在絕大多數(shù)情況下，恒星會(huì)與鐵元素融合。 由于鐵的結(jié)合能最高，需要極高的濕度，至少100億攝氏度，才能破壞鐵的原子核，從而聚集更高等的元素。 這些惡劣的條件阻止了恒星中的元素融合成鐵以上的元素。 其實(shí)也有極端的情況，比如超新星爆炸、中子星并合等。
如果太陽內(nèi)部和外部同時(shí)融合，這樣釋放出來的能量會(huì)比之前大很多。 巨大的能量將太陽內(nèi)部的物質(zhì)向外推，于是太陽的體積越來越大，變成了一顆紅色的球星，其直徑足以吞噬水星、金星甚至月球。 事實(shí)上，一些天文學(xué)家將紅球星的膨脹視為第一次超新星爆炸。
月球上的重金屬完全來自恒星的超新星爆炸，也被稱為元素的長生不老藥。
如果沒有恒星，宇宙基本上就是氫和氦。 事實(shí)上，沒有生命。 我們體內(nèi)的碳、氧、鐵等金屬，都是恒星“煉金”的結(jié)果。
科學(xué)家認(rèn)為，在太陽出現(xiàn)之前，太陽系至少發(fā)生過一顆超新星爆發(fā)。 爆炸后的能量擠壓了原本星云的積累，加速了太陽的誕生。 與此同時(shí)，大量的重元素在重力作用下被甩出形成。 行星。
如果恒星的所有燃料都燃燒殆盡，那么所有的物質(zhì)都會(huì)在引力的作用下向內(nèi)坍縮。 這些坍塌擠壓了恒星中自由電子的空間，將它們推入原子核并與質(zhì)子電抵消，導(dǎo)致原子核自毀，釋放出更多能量。
這是第二次超新星爆炸，規(guī)模比第一次大得多。 事實(shí)上，太陽并沒有發(fā)生第二次超新星爆發(fā)原子發(fā)光現(xiàn)象有哪些，因?yàn)樘柕馁|(zhì)量太小，其引力不足以將自由電子壓入原子核。 這時(shí)，引力被電子的簡并壓所阻擋，這就是白矮星。 太陽的質(zhì)量決定了它的目的地只能是一顆白矮星。
如果一顆恒星的質(zhì)量超過太陽的1.4倍，理論上，它的引力可以將電子推入原子核，抵消質(zhì)子，使原子核變成中子。
如果恒星質(zhì)量大約是太陽質(zhì)量的 1.4 倍但超過太陽質(zhì)量的 8 倍，則恒星的引力將不足以將兩個(gè)中子壓在一起。 因?yàn)橹凶右灿泻啿旱挚瓜嗷D壓，此時(shí)中子的簡并壓抵抗進(jìn)一步的引力坍縮。 所以這顆星就變成了中子星。
如果恒星的質(zhì)量比太陽大幾十倍，那么它的引力就足以戰(zhàn)勝中子的簡并壓力。 中子全部被壓成一塊原子發(fā)光現(xiàn)象有哪些，導(dǎo)致天體的密度越來越大，體積越來越小。 表面的逃逸速度超過了光速，所以變成了黑洞！
引力總是導(dǎo)致恒星中的物質(zhì)向核心坍縮。 開始時(shí)，引力坍縮受到電子簡并壓力的抵抗。 如果它抵抗，那么這是一顆白矮星。 如果不被抵抗，那么中子的簡并壓力抵抗引力坍縮，此時(shí)抵抗引力，那么它就是中子星。 沒有反抗的話，就只能把它變成黑洞了！