太阳的最终演化归宿是黑洞吗?聊一聊恒星的演化过程

作者:衍生品量化  来源/微信公众号:iQuantitative 发布日期:2019-10-27

下面图片给出的是赫罗图,表征恒星的不同状态,主要分为温度极高但质量较小的白矮星,右下角到左上角的主序星,以及右上角的红巨星。
其中,右下角的原恒星是没能够演化成为真正恒星的白矮星。右下角的红矮星到左上角的蓝巨星是恒星发生氢核聚变的幼年到壮年期。右上角的红巨星是恒星的氢核聚变完成之后脱离主序进入晚年最终形成亚恒星并最终形成红巨星。
恒星的演化起点可以从宇宙大爆炸4亿年开始,当时宇宙中存在着大量的弥散星云,当弥散星云达到金丝不稳定判据的理论条件时,即一般而言,当弥散星云的直径达到100亿光年,质量为600万个太阳质量的时候,弥散星云就可以在局部扰动下迅速坍缩形成原恒星,这个坍缩的过程非常迅速,仅仅为半个小时左右。这就是原恒星的形成过程。
原恒星形成之后,其未来的演化方向由其质量决定。决定恒星演化过程的主要因素有:氢核聚变、氦核聚变、碳氧核聚变、电子简并压、中子简并压、坍缩成奇点。这些决定恒星命运的因素都是由恒星的质量决定的。根据其质量分布可以分为以下六类:
当其质量小于0.08个太阳质量没能达到氢核聚变的条件,该类恒星称之为褐矮星。木星可能就是一刻褐矮星。
当其质量在0.08个太阳质量和0.5个太阳质量之间时,原恒星内部达到800万度时发生氢核聚变,但是恒星温度没有达到1亿度,因此不能够发生氦核聚变,这一类恒星将演化成氦白矮星。
当其质量为0.5个太阳质量到2.3个太阳质量之间时,当恒星的内部氢核聚变完成之时,其内部温度将达到1亿度之上,这时氦核将发生聚变,生成碳和氧。由于此时的恒星质量仍然比较小,因此氦核聚变的过程不是很稳定,这就是我们常说的氦闪。此后该类恒星将形成红超星,其外层迅速扩张,内部爆炸之后坍缩,最终其内部坍缩成碳氧白矮星,外部形成行星状星云。
当其质量介于2.3个太阳质量到8个太阳质量之间时,该类恒定发生氦核聚变之后,碳氧激烈反应,最终形成碳氧白矮星和行星状星云或者碳爆发型超新星。
上述就是所有白矮星的形成过程,也是恒星的主要最终归宿之一,而白矮星在经过漫长的周期计算适当能量之后将形成一颗黑矮星,上述过程将远超宇宙的年龄,因此在宇宙大爆炸之后的137亿年里目前尚未发现一颗黑矮星。
当其质量介于8个太阳质量到30个太阳质量之间时,该类恒星在完成氢核聚变、氦核聚变之后,温度会达到30亿度左右,碳氧继续发生核聚变形成钠、镁、硅等元素一直到铁元素。铁又在温度达到50亿度时发生光是分解,一个铁元素迅速分解为13个氦,氦又迅速分解为4个氢。但是由于上述两个光致分解的过程是吸收能量的(光致分解过程与核聚变与核裂变相反)导致恒星的核心迅速坍缩,温度升高核外电子受到的压力达到电子简并压。电子简并压将核外电子压缩到原子核中,与质子反应形成中子并放射出中微子,释放出大量能量形成超新星爆发,最终该类恒星形成中子星。
当其质量大于30个太阳质量时,恒星经历完成氢核聚变、氦核聚变、碳氧核聚变、电子简并压之后,中子承受不住中子简并压,经过超新星爆发之后最终该类恒星坍缩成一个奇点形成黑洞。

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