天文科普系列四：一星落，万物生

恒星是宇宙中最为常见的天体之一。例如，太阳就是离我们最近的恒星，也是我们的太阳系中唯一的一颗恒星。而绝大多数的恒星也像太阳一样，在人类的视角总是“永恒”的，它们也因此得名“恒”星。但是，即便是在人类有限的历史中看似亘古不衰的恒星，也总有走向衰亡的一天。其中，质量较大的那部分恒星，则会以超新星爆发这一夺目的方式终结它们的生命。这个过程将释放出巨大的能量，产生多种元素，并将喷发物抛洒在星际空间中。这些抛射物质和残骸则是下一代恒星的“孕育所”，为下一代恒星的形成创造必要的条件，最终引发新一代恒星的形成，继续着恒星生与死之间的循环。

1、恒星的诞生

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在讨论恒星的末日之前，让我们先聊聊恒星是怎么来的。

图1 恒星演化周期（图源：网络）

恒星们总是诞生于宇宙空间中的某些大片分子云“摇篮”之中。这些“云朵”原本多以氢分子为主，往往极其稀薄，甚至比在地球上能制造的最好的“真空”环境都要稀薄。但在一些不稳定因素的影响下，它们也会在引力作用下不断向区域内的某些点聚集，于是在内部逐渐形成了一些气体密度不断变高的部位。而随着气体密度的增加——就像一朵越来越厚的“乌云”——这些部位也逐渐变得对辐射不透明起来。于是气体原子自身的辐射便在其中不断累积，使这些高密度区域不断升温，分子重新裂解成原子，同时又吸引更多分子向这个“核心”跌落。这样的“核心”就可以看作是“未成年”的恒星了——天文学家们将它们称为原恒星。这样的过程往往可以在一朵分子云的多个部位同时发生，于是人们就可以看到恒星们几乎总是“成群结队”地降生，形成被称为“疏散星团”的小队伍。

当这些“核心”中的物质密度高到一定程度的时候，就会引发稳定的氢聚变为氦的热核反应，光和热从核心深处迸发，照亮黑暗中的摇篮——恒星诞生了。处于核心氢燃烧阶段的恒星被称为主序星，此阶段占恒星寿命的90%以上。此时星体内部处于两股力量的相互制约之中：灼热气体的向外压强和引力产生的向内压强达到平衡，从而保持了星体的稳定状态。

而我们今天要谈论的主角：大质量恒星们，在它们的主序星阶段时，表面温度一般在10000K以上，其光谱型按照基南系统被分为O或者B型。它们发出的光在人眼看来呈现明亮的蓝色，他们大致位于赫罗图的左上方。

 

图2 赫罗图（图源：网络）

大质量恒星的演化比小质量恒星的演化要快得多。恒星的质量越大，位于主序阶段的时间就越短。太阳在主序上的时间大概为100亿年，与之相比，一颗10倍太阳质量的恒星在主序上只会停留2000万年。  

步入老年期的恒星，恒星核心区域的氢逐渐全部转化为氦，最终形成一颗不燃烧并且塌缩的氦内核，氦内核的外壳是一个燃烧的氢壳层。前文已经提到，大质量恒星演化速度快，因为他们更大的质量和更强的引力可以产生更多的热量，以至于可以使得核心区域轻而易举的到达了氦聚变的燃烧温度10⁸K，因此氦的燃烧过程很平顺，没有更轻的恒星演化中会发生的所谓“氦闪”。

在天文学上，8倍太阳质量是大质量恒星和小质量恒星的分界线。按理说，人们可以通过理论计算来预测各种初始质量和化学成分恒星最终的死亡方式和归宿，但实际情况仍充满各种不确定性和复杂情况。实际上，所有光谱型的恒星都是有一定活动的，都具有星风。大质量恒星的星风比小质量的更强，据观测表面，O型星的星风速度可以达到3000km/s。在对恒星来说较短的100万年的时间内，强劲的星风可能会带走恒星总质量的十分之一。而不同质量恒星的演化终点实际上是取决于最终的质量，不过我们对此知之甚少。

小质量恒星的核心永远无法达到发生碳原子核聚变所需的温度（约为6×10⁸K），因此他们的结局一般都是碳—氧白矮星。然而，大质量恒星可以聚变的不仅仅是氢和氦，随着中心的每一种元素燃烧而被消耗，内核收缩并升温，核聚变开始重新发生。新的内核形成更重的元素，再次收缩，再次升温，更重的元素又再次发生聚变，不断反复。

经过每一个稳定和不稳定的阶段，恒星中心的温度上升，核反应加速，新释放的能量将使恒星在更短的时间内就能完成核聚变。研究表明，质量达到太阳质量20倍的恒星，其中的氢元素可以燃烧1000万年，氦元素能燃烧100万年，碳元素能燃烧1000年，氧元素能燃烧1年，硅元素能燃烧1星期，而它的铁核只能生长不到一天。

 

图3 在核心塌陷之前，大质量恒星的核心结构（图源：网络）

你此时可能会想，那么这样继续聚变下去，恒星内部是不是会形成“黄金”的核心呢？这又需要多长时间？但事实上，一旦内核开始变成铁，我们的大质量恒星就会有麻烦了。恒星核合成形成的铁原子核非常致密，其束缚能比除了钴的一种同位素以外的任何更重的元素都要大，因此如果继续聚变并不能产生能量，反而要消耗大量的能量。也就是说，铁核在聚变过程中实际上充当了“灭火器”的角色：恒星内部出现铁核心，往往意味着她的“生命”已经走到了尾声。

当恒星的核心温度上升到近100亿开尔文时，单个光子将具有极高的能量以至于能够将铁分裂为较轻的核，然后再继续将这些轻核进行分裂，直到只有质子和中子。这一过程被称作核心区中元素的“光致蜕变”。“光致蜕变”的过程中会吸收热能。换句话说，它冷却了核心区，从而降低了那儿的压力。随着原有的原子核结构被摧毁，恒星核心区更加无法抵御自身的引力而加速坍缩。在不到1s的时间里，核心区的塌缩将使过去1000万年内所产生的核聚变成果一笔勾销！

现在，核心区完全由电子、质子、中子和光子等亚原子粒子构成。尽管它们的密度非常高，但是核心区仍然会继续收缩。随着核心区密度继续上升，质子和电子被挤压在一起，发生反应形成中子和中微子。而中微子是一种极其难以捕捉的粒子，它们几乎不与任何物质相互作用。它们会逃逸到太空中，顺便带走部分能量，进一步减少核心区的压力支持。

现在没有任何东西能够阻挡它的坍缩了，直到中子互相接触，达到10¹⁵kg/m³的惊人密度。此时，收缩的核心区中的中子产生的阻力迅速升高，阻止核心区进一步压缩，并产生巨大的压力，最终阻止了核心区的引力坍缩。这一压力被称为中子简并压，是中子作为一种费米子所具有的量子效应。不过，坍缩物质总是有一些惯性的，因而当塌缩实际中止时，恒星核心区密度可能高达10¹⁸kg/m³，此时的压力已经远远大于引力。接下来要发生的事已不难猜测：就好像一个快速运动的球碰到坚实的墙壁，略微压缩后将迅速反弹——核心区停止压缩后，开启了膨胀模式，而且是报复性的膨胀！

刚刚描述的事件不会花很长时间，从坍缩开始到报复性反弹这一过程大概只有1s的时间。一股巨大的能量冲击波将高速横扫恒星，把上面所有的壳层炸裂到太空中，包括中心铁核外刚形成的所有重元素。这一过程是宇宙中能量最高的爆炸事件之一——超新星爆发。在几天的时间内，超新星的亮度可以与它所在的星系相匹敌。大质量恒星的这种壮烈的璀璨爆炸最后形成了“核坍缩超新星”。

天文学家把超新星分为两大类：Ⅰ型和Ⅱ型。它们的光变曲线和成分有所不同。Ⅰ型超新星大部分是由双星系统中的碳-氧白矮星在经过获取能量、坍缩后，内部温度达到了碳聚变所需的温度而形成的超新星，也被称为“碳爆发超新星”。而我们上面所说的“核坍缩超新星”则属于是Ⅱ型超新星。

 

图4 Ⅰ型超新星假想图（图源：NASA）

 

图5 SN1987A的遗迹，它是在大麦哲伦星系的一颗Ⅱ型超新星（图源：NASA）

那超新星爆发后还会留下什么呢？不妨先让我们的思绪回到爆炸开始的时候。核心的中央部分向外反弹，形成了强大的冲击波，将物质猛烈地抛向太空中。请注意，这是的冲击波并非起始于塌缩核心的正中央。虽然冲击波摧毁了恒星的其他部分，但发生“反弹”的核心部分仍然完好无损。这部分核心最终在这场壮观的“葬礼”中存留下来，形成了中子星。中子星的质量并不是没有上限的，目前大部分研究人员一致认为，当中子星的质量超过3.2倍太阳质量时，中子简并压也无法抵抗引力，并最终坍缩形成黑洞。

图6 另一个著名的超新星遗迹：金牛座蟹状星云（图源：网络）