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  • 1 # 如野草般野蠻生長

    恆星質量越大,體積更大;而白矮星中子星等極端天體,質量越大,體積卻越小。這看起來似乎有些矛盾,其實是萬有引力和天體演化機制導致的奇妙現象。


    先說說萬有引力

    牛頓最偉大的貢獻就是發現了萬有引力,是人類最早發現的四種基本力之一。萬有引力是我們生活中接觸到的最廣泛最容易理解的力,是四種力中最弱的力,只有10^-34N,是強力的1/10^-38,電磁力的1/10^-36,弱力的1/10^-32。


    但強力和弱力作用只在原子核內,作用距離極短,引力和電磁力是長程力,理論上可以無限遠。在我們周圍的一切,天上和地下,都受到引力影響,我們都被引力拉拽在地表活動,跳也跳不了多高;地球被太陽引力拉拽著圍繞它轉圈圈;太陽被銀河系中心引力拉拽著圍繞著銀河系中心旋轉。


    萬有引力定律表述為:F=GMm/r^2,這裡的F表示引力大小值,單位N/s^2(牛頓/平方秒);G為引力常量,一般取值為6.67*10^-11,單位N·m^2/kg^2(牛·平方米/平方千克);M和m是相互作用大小物體的質量,單位kg。


    從引力定律來看,兩個物體之間引力大小,與它們質量的乘積成正比,與距離平方成反比。這就是說,質量越大的物體,引力越大,質量越小的物體引力越小,距離越近,引力越大,距離越遠,引力會呈數量級衰減。但再怎麼衰減,也還會有那麼一點點,因此引力作用可以無限遠。


    如發生在13億光年黑洞相撞的引力波,經過13億年在太空的傳輸來到地球,雖然只驅動了引力探測裝置4km長臂移動了一個質子直徑的萬分之一,還是被人類所捕捉。


    但宇宙中充滿了天體,它們之間的引力相互影響,因此一個天體引力達到一定範圍,作用力就會很小,實際上就可以忽略不計了。


    恆星演化機制。

    所有物質都是由粒子組成,恆星主要由氫和氦組成,還有1%左右的其他元素。這些元素每一個都很小,但也有引力,因此,它們開始漂浮在太空,在自身引力作用下漸漸相互吸引聚集在一起,形成一坨巨大的原始恆星雲。隨著其相互引力作用,收縮會越來越緊,向心的引力壓就越來越大。


    恆星雲不斷收縮,由於收縮不均衡,就會漸漸旋轉起來,而且隨著體積縮小旋轉的越來越快,離心力就會將赤道星雲甩出去,漸漸形成一個恆星吸積盤(也有叫行星盤)。隨著核心收縮越來越快,就會形成坍縮之勢,核心壓力和溫度急劇升高,達到一個臨界點就引發了氫核聚變,這樣恆星就生成了。


    太陽核心溫度約1500萬K,壓力約為3000億個地球大氣壓,表面溫度約6000K。


    恆星質量越大,向心引力壓就會越大。根據引力規律,質量越大的恆星就會收縮得越緊密,因此體積會越小,這是引力作用的基本規律。但恆星為什麼沒有隨著質量增大而體積變小呢?


    這是由於恆星演化的特殊規律導致的,這個規律就是恆星中心都在進行核聚變。核聚變會產生巨大的輻射壓,抵禦住收縮的引力壓,這樣恆星就成為一個體積穩定、發光發熱的等離子球體,進入了恆星主序星階段。


    主序星階段是恆星主要壽命階段,一般佔有恆星總體壽命的約90%以上時間,形成階段和衰老過程只佔不到10%時間。


    恆星質量越大體積也相應加大的原因

    我們隨便點幾顆恆星,就可以看出這個規律。天狼星A星質量為太陽的2.063倍,直徑是太陽的1.7倍,體積是太陽的約5倍;織女星質量為太陽的2.135倍,直徑是太陽的2.5倍,體積約太陽的15.6倍;軒轅14A星質量是太陽的3.8倍,直徑為太陽3.1倍,體積約太陽30倍。


    質量越大的恆星,核心的壓力和溫度越高,因此核聚變反應的劇烈程度越大,氫的消耗越快,因此其壽命越短。


    既然質量越大的恆星核聚變反應越激烈,因此形成的輻射壓也就越大,這些輻射壓不但會頂住巨大的引力向心壓,還會向恆星表面催動,讓星體外圍物質在高溫下膨脹。


    質量越大的恆星,表面溫度越高,亮度越大就是這個道理。我們知道,恆星是由熾熱的氫氦氣體組成,而氣體溫度越高,體積就會越大。家裡用水壺燒水,燒開後水蒸氣會將壺蓋頂開,蒸氣還會瀰漫到整個廚房或屋子裡,也是這個道理。


    這就是恆星質量越大體積越大的原因,這也是恆星有一個質量界限的原因。

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