本文基于回答网友邀答问题:
为了回答时更准确清晰,有必要对这个问题捋一捋。这个问题包含有两个层次:第一个层次是太阳变成白矮星后,会不会继续聚变;二是大质量恒星内部核聚变过程是不是和太阳一样,先燃烧完氢,再进一步燃烧其他元素。
首先要说明的是,所有恒星都是由巨大的分子云凝聚而成。分子云的主要组成成分为氢和氦,按质量来说,氢占比约75%,氦占比约24%,其他元素占比只在1%左右。在万有引力相互作用下,一坨数光年尺度的分子云会不断收缩,收缩得越来越紧密后就会发生坍缩,形成旋转的原恒星和行星盘,原恒星核心在巨大重力压力下产生高温,达到一定程度就有点燃了氢核聚变。
这里特别说明一下:恒星演化的核心驱动力就是引力主导的收缩压,而核心核聚变的剧烈程度和达到的重元素层次,则完全依赖恒星质量,质量越大的恒星,核心压力和温度越高,核聚变就越激烈,实现核聚变的元素层次就越重。
太阳的形成同样遵循恒星演化规律。太阳质量约为2*10^30kg,是光谱类型为G型的黄矮星,核心压力约3000亿个大气压强,1500万度高温。在这种环境下,核心的氢原子外围电子被剥离成自由电子,氢核与氢核发生碰撞融合,就聚变成氦。
氢核聚变的反应方程式为:4H→He+2e⁺+2ν+Q
其中,H表示氢核,He表示氦核,e⁺表示正电子,ν表示中微子,Q表示释放(损失)的能量。也就是说,4个氢核聚变成1个氦核,并释放两个正电子和两个中微子,损失约0.7%的质量,这些损失的质量转化为能量(Q)。
太阳每秒钟有约6亿吨的氢聚变成5.958亿吨氦,亏损的420万吨质量转化为能量释放出来。根据爱因斯坦质能方程E=MC^2计算,420万吨质量转换成的能量约为3.78*10^26J(焦耳)。这些能量从核心通过对流到达表面,又以电磁辐射方式源源不断地释放到太空,其中有22亿分之一被地球接收。
这就是恒星发光发热的原因。
太阳这种核聚变过程会持续约100亿年,属于主序星阶段。现在太阳年龄已经有约46亿岁,还有约54亿年将寿终正寝。到了那时候,太阳核心的氢就会被燃烧殆尽,核心就充满了氦。此时,氢核聚变就会停止,没有了核聚变巨大的辐射压顶住引力向心收缩压,平衡就被打破,巨大的引力收缩压导致核心物质发生坍缩,核心温度骤升到1亿K,就点燃了氦聚变。
太阳的氦聚变阶段持续约 1 亿年,核心的氦核(⁴He)通过 “三重 α 反应”(3⁴He → ¹²C + γ)聚变为碳核,同时少量碳会进一步与氦核聚变为氧核(¹²C + ⁴He → ¹⁶O + γ)。因此,氦聚变结束后,太阳核心的主要成分为碳(C)和氧(O),比例约 C:O≈1:1,占核心质量的 90% 以上。核心外围是未参与聚变的氦壳层,再外层是未聚变的氢壳层。
此时,核心因氦聚变停止而失去能量来源,引力主导收缩 —— 这是恒星演化的核心驱动力:引力收缩将引力势能转化为热能,导致核心温度和压力升高。温度逐渐升至3–5 亿 K,密度增至10^6g/cm^3,核心物质开始接近电子简并态。
由于太阳质量太小,引力压力无法让核心温度达到碳聚变所需的10 亿 K,因此核心不会发生碳聚变或更重元素的聚变。但核心升温会加热外围的氦壳层和氢壳层,触发壳层聚变,即核心外围有一层氦壳包裹着已聚变完成的碳核,当这个壳被加热至约2亿K时,就触发了氦核聚变,释放出大量能量;随之,更外层的氢壳层被加热至约5000万K,重新启动氢核聚变。
层聚变交替进行,会向外输送的巨大能量,导致恒星外层剧烈膨胀、壳大量物质被抛射到太空。这就是低质量恒星,包括太阳演化进入渐近巨星分支(AGB)阶段。这是太阳演化中最不稳定的阶段之一,持续约 1000 万年。
此时的太阳不断膨胀,变成一颗红巨星,体积达到现在太阳的上千万倍。随着外围物质的不断抛射,最终硝烟散尽,裸露出核心一颗小小的白矮星。这就是太阳的尸骸,成分以碳、氧为主,只有地球大小,质量却高达太阳的0.5~0.6倍,因此其密度高达1~10吨/厘米立方,以电子简并态支撑引力压力。
白矮星刚形成时核心温度1000万~1亿K,以后慢慢冷却,最终变成黑矮星。但这个过程需要几百亿年,远远长于宇宙年龄。
如果没有遇到什么“路人”,比如某颗恒星或大量星际物质被其吸积,这颗白矮星将波澜不惊的度过余生。当如果其有机会吞噬大量物质,让自己的质量达到1.44个太阳质量,这颗尸骸就会发生诈尸~la型超新星爆发,之后有可能变成一颗中子星。
白矮星是中小质量恒星的尸骸,是一种高致密天体。太阳质量0.8倍到2倍的恒星,演化末期的结果都差不多,留下的白矮星主要由氦核简并态物质组成,密度可达1~10吨/厘米立方,体积只有地球大小,质量却有太阳的一半。
太阳质量2倍以上到8倍以下的恒星,由于演化末期核心压力和温度更高,核聚变根据恒星质量不同。如接近 8 倍太阳质量的恒星,核心温度可达10 亿 K,触发氖聚变,最终形成氧 - 氖 - 镁白矮星。
但由于这种中等质量恒星不具备将核聚变持续到铁的能量,最终并不会发生超新星爆发,而是较温和地成为一颗红巨星,只是质量越大,反应越剧烈,5倍太阳质量以上的恒星会演化成红超巨星。
最终,硝烟散尽,核心还是留下一颗白矮星,但是由更重元素的简并态物质组成。质量越大的恒星,留下的白矮星密度越高,可达100~1000万吨/厘米立方。
从核心氢燃料烧完时算起,演化末期的寿命是与质量成反比的,质量越大寿命越短。太阳两倍以下的恒星,红巨星阶段寿命在10亿年左右;接近8倍质量的恒星红超巨星阶段持续不到1亿年。
太阳质量8倍以上的恒星,演化末期的过程核结局就发生了质变,其最标志性的特征就是核心核聚变反应剧烈,燃烧快,寿命短,核聚变结束后会发生超新星爆发,有的整个恒星都炸成了齑粉,成为星际尘埃;有的会在核心留下一颗中子星或黑洞尸骸。
演化末期的核心热核聚变过程如下:
由于大质量恒星的核心压力和温度更高,核心核聚变过程比上述低质量恒星更快,氦聚变完成后,收缩压导致10亿K以上高温,点燃碳、氧聚变,当核心氧耗尽后,坍缩压又让温度骤升到30亿K以上,硅开始通过 “α 粒子链式反应” 聚变生成更重元素,依次生成硫(S)、氩(Ar)、钙(Ca)、钛(Ti)、铬(Cr)、铁(Fe)等,最终核心形成以铁 - 镍为主的 “铁核”。
铁-56是所有元素中比结合能最高的元素。所谓比结合能是指将原子核拆分成单个核子(质子和中子)所需的能量,原子核的比结合能越高,原子核越稳定。铁-56 的比结合能在所有元素中最高,因此其原子核最难通过聚变或裂变释放能量。
简单来说,就是比铁轻和比铁重的元素,核聚变都能够释放能量,只有铁最“吝啬”,不管是核聚变还是核裂变,不但不释放能量,还要吸收能量。恒星演化末期已经本来就已经奄奄一息,哪有更多的能量让铁吸收呢?因此核心核聚变到铁就成为“终点”。
这样,大质量恒星核心形成铁核后,核聚变就彻底停止,再也无法释放能量维持平衡,核心因失去辐射压力支撑,会在引力作用下更急剧坍缩,坍缩速度可达光速的30%,也就是每秒约10万公里的速度向核心冲击,在这种极端压力下,核心密度从白矮星级别飙升至中子星级别,密度达到1亿吨/厘米立方,甚至更高。
此时,电子已经被压缩进了原子核,整个核心成为中子核,极其强大的中子简并压力突然形成,阻止外围向核心的极致坍缩冲击,并产生强烈的反弹冲击波,同时大量中微子(坍缩阶段释放)与外层物质相互作用,共同推动外层物质以接近10%光速向外爆发,一颗超新星爆发就发生了。
超新星爆发瞬间释放的能量,相当于太阳一生总能量的 100 倍,亮度可短暂超过整个星系。超新星爆发瞬间产生的高温、高压、富中子环境,通过中子俘获+β衰变方式,会让铁原子核“逐级增重”,形成比铁更重的金、银、钴、镍、铀、钚等更重元素,目前宇宙中存在的铁以上的重元素,都是通过这种方式得到的。
超新星爆发将这些元素抛射到星际空间,扩散到星际介质中,成为生成下一代恒星、行星和生命的物质基础 —— 例如,地球上的金、银、铀等元素,都可追溯到远古超新星爆发的产物。
大质量恒星演化末期发生超新星爆发后,核心的剩余质量决定了最终残骸类型。若核心剩余质量低于奥本海默 - 沃尔科夫极限,即约 2–3 倍太阳质量以下,将形成以中子简并压支撑的中子星,半径为10~15公里,质量却达到太阳的1.4~2倍。
若核心剩余质量超过奥本海默 - 沃尔科夫极限,即3倍太阳质量以上,引力将绝对性压倒所有排斥力,物质发生无限坍缩,就形成了密度无限大,引力强到光也无法逃逸的黑洞。因此目前发现最小的恒星级黑洞,质量在太阳3倍左右。
总之,太阳质量8倍以上的恒星,核心核聚变会逐级推进至铁元素,随后因聚变停止引发核心坍缩,通过超新星爆发抛射外层物质,最终核心形成中子星或黑洞。这一过程不仅是恒星的 “死亡”,也是宇宙中更重和最重元素的主要来源,对星系演化和生命诞生至关重要。
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