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白矮星不断吞食伴星物质,增加自身质量,为啥体积反而变小呢?

这是一个有趣的问题,过去没注意到,也没有说过这个问题。要回答这个问题,我们首先要了解一下恒星演化后期的归宿:恒星的4种尸骸。

太阳类恒星的尸骸是白矮星

白矮星是中小质量恒星,也就是约太阳质量0.5倍~8倍之间这种不大不小的恒星,死后留下的尸骸。这个尸骸的质量在太阳0.2~1.4倍之间,从这个质量梯度来看,越小恒星留下的比例就越多,而到了7~8倍太阳质量恒星,死亡后留下的质量就只有不到20%了。

中小质量恒星在演化后期都会膨胀成为红巨星,然后外围物质渐渐消散在太空,成为新的星云物质,核心部分留下一个致密的核,这就是白矮星。白矮星的体积和地球差不多,但质量却有1个太阳左右,因此密度极高,达到每立方厘米1~10吨。(上图左为白矮星)

红矮星的尸骸是黑矮星

最小的恒星,即太阳质量的0.08~0.5倍之间的恒星,被称为红矮星。这种小质量恒星核心压力和温度达不到激发氦核聚变的能力,最终不会膨胀为红巨星,只会慢慢燃烧殆尽,成为一个黑矮星。但红矮星的寿命超长,越小越长,最小的红矮星寿命可达数千乃至数万亿年,因此有些红矮星的寿命可以延续到宇宙终结。

由于红矮星寿命超长,所以至今人类也没有发现黑矮星,因为所有的红矮星都正当青壮年,离变成黑矮星还早着呢。太阳系毁灭后,它们也还都活蹦乱跳着呢。由于红矮星有着超长的寿命,一般认为,红矮星是生命和文明的摇篮。

中大质量恒星的尸骸是中子星

太阳质量8倍以上的恒星,演化后期会发生超新星大爆发,最终在核心部分留下一个更加致密的核,这个核有两种,一种是中子星,一种是黑洞。一般认为30~40倍以下太阳质量的恒星,超新星大爆炸后,会留下一个中子星。

更大质量的恒星,留下的就是黑洞。中子星质量在太阳的1.44~3.2倍之间,半径只有10km左右,因此密度极高,达到每立方厘米1~10亿吨;

大质量恒星的尸骸是黑洞

超过太阳质量40倍以上的恒星,大爆炸后留下的是一个黑洞。黑洞都在太阳质量3倍以上,核心是一个无限小的重力点,又叫奇点,所有的质量都集中到这个体积无限接近零的奇点上,因此无法衡量其密度,也就是密度无穷大。

黑洞的表现是,围绕着奇点会有一个极端的球状对称空间,在这个空间里,理论上什么也没有,什么也看不到,什么也逃脱不了。人们把这个空间叫史瓦西半径,把空间内外交汇的球面叫事件视界。一个3倍太阳质量的黑洞,史瓦西半径不到9km。

从恒星留下的各种尸骸,我们可以看到,质量越大的恒星,留下的尸骸质量越大,密度越高,体积越小。这就为我们回答本问题得到了一个启示:在致密天体行列,质量越大体积越小。

宇宙中白矮星知多少?

在我们太阳系周边,已经发现了500余颗白矮星。距离我们8.6光年距离的天狼星,是一个双星系统,其中天狼星A是一个蓝矮星,约太阳质量的2倍,比太阳温度、光度高很多;天狼星B就是一颗白矮星,体积和地球差不多,质量却有太阳的1.1倍。

白矮星虽然温度很高,表面可以达到数万K,但由于太小,因此亮度就小。如天狼星B的亮度只有天狼星A约万分之一,天狼星A是夜空全天最亮的恒星,而天狼星B肉眼却无法看到。

虽然白矮星光度很小,用望远镜还是能够看到。早在1939年,科学家们就发现了18颗白矮星,现在通过巡天望远镜,更是已经发现了上万颗。据天文学家们估计,银河系的白矮星数量约占恒星总数的10%左右。

银河系有2000~4000亿颗恒星,按照这个规模,白矮星就有200~400亿颗。这个估计应该是基于宇宙年龄和恒星寿命得出的。

科学认为宇宙年龄约138亿岁,宇宙中像太阳质量8倍以下,0.8倍以上恒星约占恒星总量的20%左右,太阳寿命约100亿岁,这样,和太阳质量差不多的恒星就都应该死过一回了,因此宇宙中白矮星占恒星总量的10%左右,应该是一个较为保守的估计。

白矮星为什么会吸积呢?

在我们银河系乃至整个宇宙的恒星世界,像我们太阳这样的独生子的只是少数,多星系统约占整个恒星系统的60~70%,在多星系统中,中小质量恒星占绝大多数。这种恒星结构给白矮星吸积创造了条件。

决定恒星寿命的是恒星的质量,质量越大寿命就越短,质量越小寿命就越长,前面说的红矮星寿命超长就是这个道理。多星系统中每颗恒星质量是不可能完全一样的,寿命就有长有短,这样,先死去的恒星就会在系统中留下一颗白矮星。

天狼星双星系统就是一个例子,研究认为,现在的天狼星B,前身就是一颗约太阳质量5倍的蓝矮星,因此先去世留下了一颗白矮星。

白矮星是极端天体,引力极大。如天狼星B表面重力是太阳的64000多倍,是地球的180万倍,这样,白矮星将伴星的外围物质拉扯到自己身上就顺理成章了。天狼星A、B双星的平均距离只有20AU(天文单位,1AU约1.5亿千米),还不到我们与天王星的距离,天狼星A飘散的物质就会被天狼星B吸取。

特别是等到天狼星A演化后期,会膨胀成为红巨星,半径增大了200~300倍,外围物质就更送入了天狼星B的狼口了。宇宙中这种现象很多,这就是白矮星吸积发生的主要原因。

白矮星吸积后会发生什么呢?

前面已经说过,白矮星是有质量上限的,这个上限就是太阳质量的1.44倍。这个上限是印度裔美国科学家马尼扬・钱德拉塞卡发现的,由此他获得了1983年诺贝尔物理学奖,而他发现的这个上限就叫钱德拉塞卡极限。

因此,当一个白矮星不断的贪吃,将自己质量不断的加大时,就有可能超过钱德拉塞卡极限。到达这个极限,依靠电子简并压支撑的白矮星形态就再也撑不住了,就会进一步坍缩,成为一个更加致密的天体~中子星。

在成为中子星之前,白矮星要打几个饱嗝,这个饱嗝就会惊天动地,就是超新星爆发。科学家们把这种类型的超新星叫做la型超新星,la型超新星有一个特点,就是都在1.44倍太阳质量的时候发生,因此爆炸的威力和光度是基本一致的,这就为科学家们测量宇宙天体距离提供了一个准星,天文学家们把它叫做标准烛光。

超新星爆发的能量是巨大的,亮度很高。科学家们利用哈勃太空望远镜,发现最远的la型超新星距我们105亿光年,编号为SN UDS10Wil(上图)。

所有la超新星爆发能级和亮度都差不多,这样,科学家们就可以根据观测到的亮度得到星等,从而测算出它们与我们的距离。由此得到与它们同在一个星系或附近的恒星距离,再根据恒星距离和观测到的亮度光谱,得出恒星的质量和元素成分等一系列基本参数。这就是“标准烛光”的意义。

因此白矮星及其发生的la超新星爆发,对于人类了解和观测宇宙,有着十分重大的意义。

现在归根结底说说,白矮星吸积增加质量,为啥体积不会增大反而缩小?

相信看了前面的一些解释,朋友们已经得出了这么一个结论:质量越大的恒星残骸,体积相对会更小,这是个基本规律。根本原因是因为质量越大引力压缩力就越大,物质被压缩得就越致密,物质密度增大了,体积相对质量不就变小了?

当然这种现象只是在极高密度的天体上发生,在我们日常生活中,任何物质增加,同样体积也会增加,这是由于引力作用很小的缘故。但到了致密天体,就不是我们所了解的日常物质了。

我们知道,在地球上所有物质都是由原子组成的,而原子的电子外壳很大,原子核很小,但却占有了整个原子99.96%的质量,因此原子是一个虚空的世界,由原子组成的物质从某种意义上来说内部是虚空的。

但白矮星已经不是我们认识的地球任何物质了,由于极大的引力压力,组成白矮星的原子的电子外壳被压碎,所有电子游离成为自由电子,但原子核还是夹在电子的海洋中,依然保持着核子的形态。

这是由于电子们还在竭力维护自己的核心主子,它们依靠电子简并压抵抗着巨大的引力压,勉强维持着原子核的完整。但这种物质形态已经不是我们认识的物质形态了,是比地球任何物质都更紧密结实的物质了,其密度达到惊人的1~10吨/cm^3。

但如果白矮星再增加自身质量,引力压力就会进一步加大,超过了临界点,电子简并压就再也无法承受了,这个临界点就是1.44倍太阳质量。

白矮星不断的吸积贪吃,就会超过这个临界点,由此电子简并压被压塌,形成新的坍缩态势,粒子间的空隙就会大大缩小,体积当然就更小了。坍缩的结果就是电子被无情地挤压到原子核里面,与带正电的质子中和成为了中子,加上原子核里面原来的中子,整个原子就蜕变成为一个中子核。

中子核外部没有电子外壳,就一点空隙也没有了,整个星球的所有中子核就都挤在一起了。这样,整个星球就成为一个大中子核,这个星球就叫中子星。中子星是靠中子简并压勉强支撑着强大引力压,中子与中子之间还勉强有那么一点点空隙,因此中子星就还保持着有形的天体形象。

当中子星通过吸积增加质量,达到奥本海默极限时,中子简并压就也支撑不住了,就会继续坍缩成一个黑洞。奥本海默极限是犹太裔美国物理学家罗伯特・奥本海默发现的,奥本海默还是著名的科学组织家,是美国“曼哈顿计划”的主要技术负责人,这个计划研制出世界最早的原子弹。

奥本海默极限还没有一个准确上限值,一些科学观察研究认为,中子星上限值分为两种,一种是不旋转中子星,上限约2.16个太阳质量;一种是旋转中子星,上限为3.2个太阳质量。

关于为啥白矮星吸积质量越大体积越小的问题就回到到这里。可能朋友们会对文内的电子简并压和中子简并压有点疑惑,这是个什么压力呢?需要了解的可看如下延伸阅读。

延伸阅读:泡利不相容原理

所谓电子简并压和中子简并压是什么呢?这就需要了解泡利不相容原理了。这个原理是奥地利裔美籍物理学家沃尔刚夫・泡利发现的,为此他获得了1945年诺贝尔物理学奖。

这个原理是量子力学微观粒子运动基本规律之一,简单的原理就是在费米子组成的系统中,不能有两个或者两个以上的粒子处于完全相同状态。通俗的说,这些费米子粒子不能够相互挤在一起,它们之间会表现出不愿在一起的相互排斥力。

什么是费米子?是微观世界两大类基本粒子之一,一类为玻色子,另一类为费米子。在一个体系的量子态上,只允许容纳一个粒子,或者说自旋为半奇数的粒子,统称为费米子。具体说,就是中子、质子、电子都属于费米子。有人通俗的比喻,费米子就像一群玩耍的小孩子,他们在一个狭小空间,就会你推我搡,相互不让同伴靠近。

这种相互排挤的斥力就叫简并压,简并压的排斥力不属于四种基本力中的任何一种。四种基本力相互作用时需要交换媒介子,如引力需要引力子为媒介,电磁力需要光子为媒介,强力需要胶子为媒介,弱力需要玻色子为媒介。

简并压是粒子之间相互交换作用力产生的排斥力,其交换相互作用只发生在全同粒子之间,不需要任何媒介,本质上是一种波函数的干涉效应,因此也不涉及任何“力”。

这种斥力有点像分子热运动,温度升高,气体分子热运动加剧,气体的体积就增大,反之就缩小,这与任何“力”无关。电子简并压可以想象成由“电子热运动”产生的“电子气压”,因此简并压越深入到微观更深层次,物质空隙就越小,密度越大,斥力就越大,就能够抵御更大的引力压力。(其内能大小遵循的公式见上图)

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