像太阳这样的恒星在燃烧完全结束后的残骸是怎么样的？是金属球吗？

发布网友 发布时间：2022-11-27 04:09

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热心网友 时间：2023-11-05 04:47

不知道你有没有想过一个问题，那就是元素到底是从哪里来的？

要知道，我们身体内的元素大部分都是宇宙诞生之初没有。元素的由来是和整个宇宙的演化息息相关的，其中就包括恒星的演化等等。

要了解元素，恒星这一系列的问题，实际上我们要从宇宙大爆炸说起。

按照如今的主流理论，我们知道宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。大爆炸之后，宇宙中其实没有像如今这样的原子结构，而是一片混沌状态，其中主要遍布着高能电磁波。

此时的宇宙温度极其高，随着宇宙的膨胀，温度逐渐下降，随后各种粒子出现，再湮灭，每10亿对正反粒子湮灭都会留下一个正粒子，所以我们才是处在一个正粒子构成的宇宙，目前我们还不知道为什么会这样。

宇宙大爆炸之后的38万年，宇宙的温度下降到3000开尔文左右，原子结构开始形成。一开始，宇宙的元素主要就是氢元素和氦元素，这是元素周期表最靠前的两个元素。

也不是说没有形成其他元素，只是因为其他元素不稳定，会裂变回到氦元素。即便到了现在，宇宙中可见物质当中，氢元素和氦元素的占比都高达99%以上。

而我们要知道的是我们的体内还有许多其他不同的粒子，那他们是咋来的呢？

大概在宇宙大爆炸之后的2亿年，宇宙中开始出现一些奇怪的大家伙，它们是星云在引力的作用下逐渐形成的。如今，我们管这些天体叫做恒星。恒星和其他天体最大的区别在于它能够发生核聚变反应。那为什么只有它可以发生核聚变反应呢？

这是因为恒星的质量够大。整个天体在引力的作用下，会被非常夸张的挤压。我们中国有句老话叫做物极必反。恒星在被强大的引力挤压后，也会反抗。

具体来说就是，由于引力的挤压，恒星内部的温度攀升，温度可以达到上千万度，甚至上亿度。在这个温度下，以及量子隧穿效应、弱相互作用的帮助下，就会点燃原子核的核聚变反应。正如上文所说的，起初宇宙中主要是氢元素和氦元素。因此，恒星其实主要也是由这两个元素构成的。首先促发的核反应是氢原子核的核聚变反应。主要有两条路径，分别是质子-质子反应链和碳氮氧循环。无论是哪条路径都是4个氢原子核生成1个氦-4原子核。

核聚变反应会产生对外的压力，这个压力会和引力形成动态平衡。使得恒星不会一下子炸开，也不会一下子被引力压缩成一个点。

但恒星内核的氢原子核核聚变得差不多时，这时候恒星就会完成一次换挡。此时恒星内核主要是氦原子核。恒星引力作用下，继续促发氦原子核的核聚变反应。但这里要注意的是，有部分恒星的质量不足以促发氦原子核的核聚变反应，这是因为氦原子核的核反应条件要比氢原子核更苛刻。

因此，这些恒星就会停在烧完氢原子核后的状态，等着彻底凉透。而质量足够，引力足够就可以继续促发氦原子核的核聚变反应，生成碳原子核或者氧原子核。

太阳就到达到这一步，当氦原子核烧完后，太阳自身的质量没有办法继续促发核聚变反应，太阳就会成为一颗白矮星，等待着彻底地凉透。这时候太阳内核其实不是金属核心，而主要是碳元素和氧元素。

如果此时质量还足够大呢？

事实上，恒星就会一步步恒聚变反应下去，一直到铁原子核。铁原子核是最稳定的原子核，或者我们可以说是比结合能最大的元素核，想让铁原子核发生核聚变反应的难度很大，而且这个过程是要输入能量，而不是释放能量的。如果恒星还能够促发铁原子核进行反应，那就会发生超新星爆炸。

而恒星的内核要么形成一个中子星，要么形成一个黑洞。所以，我们可以看出，并不是所有的恒星都最终会形成一个金属内核，而是绝大多数的恒星都不会如此。

元素的产生其实是要依赖恒星的核聚变反应。我们体内绝大多数的元素其实都是这样的。它们来自于上一代或者在上两代恒星的产物，年纪都是在45亿年以上。你的一生和这些元素的年纪比起来几乎是可以忽略不计的。

像太阳这样的恒星在燃烧完全结束后的残骸是怎么样的？是金属球吗？

我们太阳系的核心是处于绝对主导地位的太阳，依靠着自身进行的核聚变，源源不断地向外界释放光和热，为我们地球生命的诞生和生物世界的发展演化提供了不可或缺的物质和能量来源。太阳的演化 历史 ，是宇宙中绝大多数恒星共同具有的特征，那就是在质量满足一定范围的条件下，所推动轻型物质向重型物质聚变的一个普遍过程，只是质量的差异造成了演化的最终结局不一样而已。

如果将一个恒生的诞生和发展，与其所处的宇宙空间的状态相隔离开来是不完整、也不科学的。其实恒星也和任何生命体一样，其组成物质也是处在不断地循环往复过程中。有形成，有发展，也有衰老和死亡，当然更有物质的重组和重组之后的重生。

据科学家们研究发现，太阳在还没有形成之前的46亿年以前，其现在所处的区域，应该是一个由相对“密集”的星际物质所组成的空间，在这里分布着由气体和星际尘埃共同构成的“浓密”星云。而这个星云的产生，有极大的可能，是之前该区域存在着已经死亡的巨大恒星，在生命的终期，这颗恒星向外界释放完最后的一批能量和物质之后归于沉寂，在漫长的宇宙时间演化中，恒星残骸以及之前释放出的物质，逐渐形成了这个星际物质比较“浓密”的星际空间。

受到其它恒星以及星体引力波动的影响，这些星云物质在50亿年前左右的时间，在引力牵引下发生着持续不断地碰撞和聚合，逐渐形成了一个质量相对较大的核心区域，然后在万有引力和动量守恒定律的支配之下，周围的星际物质和气体一部分继续被吸入核心区域，核心质量不断地增长，另外也在持续碰撞的过程中，逐渐积聚着能量和温度，与此同时，稍远一些的星际物质和气体，在自身也进行碰撞和聚积的过程中，开始围绕着这个核心进行运转，慢慢地就形成了恒星的“胚胎”。

当核心区域温度升高到700-1000万度时（大约在46亿年前），将会激发内部最轻元素－氢的核聚变反应，两个氢原子，即四个质子和中子，通过链式反应，聚合形成氦原子核，同时释放两个正电子，在此过程中由于质量的亏损，会释放大量的能量。通过计算，两个氢原子聚变为一个氦原子，所释放的能量为4.6*10^（-12）焦耳。

目前太阳正处于中年，内部的氢元素核聚变正处于鼎盛时期，每秒钟所消耗的氢元素质量大约为7亿吨，这个数值看上去非常庞大，但是由于太阳的总质量也非常巨大，因此，这种鼎盛的核聚变局面还可以持续至少10亿年以上，之后就会缓慢进入红巨星时代，触发氦元素的核聚变。

能够影响恒星核聚变程度的因素，说白了就是由核心处的温度决定的，不同的温度区间，可以触发不同的元素向下一级核聚变进发。

之所以温度的提高，能够激发产生核聚变，是因为在温度逐渐提升的过程中，原子的结构就会发生动摇，当到达一定的临界点之后，原子中的电子就会激发出来，使原子核成为“孤家寡人”，然后原子核在高温下的运动速率也会加快，从而克服了原子与原子之间的库伦力束缚，相同的原子核就会有较高的几率发生相互结合的情况，从而组成原子的质子和中子就会重新进行组合，形成原子量更高的元素。

而恒星内核温度能够达到多高、核聚变能够持续到什么程度，则又将取绝于恒星的质量。我们看到的恒星处于稳定的状态，其实其内部无时无刻不在进行着两种力的相互抗衡，一个是电子的简并压力，是随着温度的升高，使同类的原子相互结合过程中出现的自然排斥力，可以理解为原子本身不想聚变，有向外辐射力量的趋势。另一个是恒星本身的重力，在万有引力作用下，恒星外层的物质时刻都有被向核心处吸引的趋势。这两种力量的对抗，如果电子简并压力占据了上峰，则恒星的下一步氦聚变就会中止，因为提供不了足够的重力来使原子与另外的同类原子进行结合，新的元素也将不会再产生了。

不同质量的恒星，其内部核聚变的程度是不一样的。这里主要分三种情况进行要简要分析。

1、当恒星质量处于太阳质量的1.44倍以内时 ，这也是 宇宙中大多数的恒星质量的范围， 在这个范围之内，没有突破钱德拉塞卡极限。如果恒星内部的氢元素消耗殆尽时，恒星将会在重力作用下进行塌缩，随着塌缩的进行，核心处的温度极剧升高，可以引发氦元素进行核聚变的温度（2亿度），形成氦闪现象，然后在向外辐射压大幅增加的情况下推动整个恒星体积急剧膨胀，形成红巨星。此后再经过塌缩、膨胀这样的相类似的过程，随之产生更重的元素C。之后，太阳般大小的恒星，其重力就再也无法满足C的核聚变条件了，此后就会不断地塌缩形成白矮星，此时核聚变完全中止，白矮星持续在进行着降温冷却的过程，再经过个几百亿年最终形成黑矮星。可以看出， 太阳的最终结局是黑矮星，主要由C元素构成，并没有金属元素 。

2、假如恒星的质量更大一些，处在3.2个太阳质量（奥本海默极限）以内 ，那么，在巨大重力的影响下，其最终的结果是，组成恒星物质原子核外的电子都被压进原子核的内部，与质子结合形成中子，形成中子星，其最终核聚变的产物是铁元素，此时由于铁元素的结合能最高，便无法从核聚变中获得更多的能量，于是星体在末期就会失去向外的热辐射压力，星体外层物质就会在重力作用下快速向核心处塌缩，在此过程中大量形成的热能就会以超新星爆发的形式展现出来。因此， 中子星最终的结局也是黑矮星，只不过这个黑矮星里含有金属元素铁 。

3、当恒星的质量突破3.2个太阳质量时， 在恒星末期剧烈的塌缩进程中，其重力占据了绝对优势，即使中子之间的相互排斥力也不足以抵挡向内的压力，这个塌缩就会无限持续地进行下去，中子也被压得粉碎， 最终在核心处形成几乎密度无限大、体积无限小的黑洞 。

恒星的发展演化周期，与其核心处的温度变化有直接关系，而影响温度变化的主要因素就是恒星的质量。因此，恒星质量的大小，决定着最终的演化归宿。而我们的太阳，最终的演化路径将是从目前的壮年，发展到红巨星，之后塌缩形成白矮星，最终形成黑矮星，组成物质是由C元素。而只有当恒星质量突破3.2倍太阳时，其最终的残骸之中才会有金属元素Fe。

太阳燃烧结束后会变成一颗碳氧型白矮星，也称为简并矮星。而且星河系内97%的恒星终于都会如此。

像太阳这样的恒星自诞生起，中心就一直进行着氢聚变反应，每4个氢原子核聚变成一个氦原子。持续释放的巨大核能维持了恒星的内部压力与与自身引力达成平衡，才使恒星保持稳定，这一阶段的 恒星 就成为主序星。

我们的太阳已在主序星阶段燃烧了50亿年了，每秒大约会损失430万吨的质量。当50亿年后核心的氢全部聚变为氦后，中心压力巨减，不再能与自身的引力抗衡，氦核开始引力收缩，温度、压力、核心密度随之升高，氢外壳的氢被点燃，太阳就会迅速膨胀，体积可以达到目前的100万倍以上，并发出增至现在100倍光亮度的红光，水星、金星、地球都会被膨胀的太阳吞噬，太阳由一颗主序星变成一颗红巨星。

变成红巨星后的太阳，当中心区收缩到约1亿摄氏度时，氦将被点燃，发生氦聚变反应，氦原子聚变产生碳、氧原子。

太阳会进入新一轮的核燃烧阶段，另外外壳氢的燃烧速度将大大超越以前核心氢的燃烧速度，大约2-3亿年就燃烧光了，同时外层气体会成为行星状星云被抛洒到宇宙中，留下一个小了一大圈，大约地球体积大小的核心，但由于本身质量太轻，引力不足以继续压缩核心引发碳元素的核聚变，所以最后太阳燃烧完所有能燃烧的物质后，就会变成一颗碳氧型的白矮星。

所谓超新星爆发，就是由于恒星质量足够大，能在引力的作用下，持续引发核心区的元素聚变：氢变氦，氦变碳，碳之后，氧燃烧，然后是硅、镁等，直到恒星中心区域变成一个铁核时，核聚变反应正式结束。因为铁是最稳定的元素，不会聚变，因此这时恒星中心不再产生能量，恒星就会因为核心失去支撑发生极速坍缩，发生强烈的核爆炸。

超新星爆发后，恒星中心残骸质量大于1.44倍小于3.2倍太阳质量，就会成为一颗密度可达每立方厘米10亿吨的中心星。如果剩下的残骸质量大于3.2倍太阳质量，中子简并力也无法抵抗引力坍缩，这时就会形成一个黑洞。