大质量恒星的演化进程
1. 引言
此前的两篇文章中，我们跟着天文学家通过计算机模拟的方法看到了太阳的一生。
太阳最终通过氦聚变变成了一个大碳球 — 白矮星。 可是，天空中所有的恒星都会沿着这条途径走完他们的一生吗？他们是如何孕育的？
2019年4月10日，人类首次拍摄到黑洞照片的新闻被登上了各大媒体的头版头条，那么黑洞是如何产生的呢？ 本文我们就来一一解开这些迷题。
（图为2019年4月10日智利圣地亚哥“事件视界望远镜”项目新闻发布会）
2. 大质量恒星的初始演化
上一篇文章中我们介绍了标识恒星温度与光度关系的赫罗图，每一时刻，一颗恒星都可以在赫罗图上用一个点来标记。 所有的恒星在初始时都是一个大氢球，通过氢核聚变为氦核产生能量，这时的恒星都位于赫罗图上的主序带内，质量越大的恒星其核心引力也就越大，更高的密度让氢聚变更为剧烈，因此其表面温度与光度也就更高，于是也就位于赫罗图更加靠左上的位置，他们就是天空中的蓝星。 对于7倍于太阳质量以上的恒星，其核心的高温高压让氢产生的氦核进一步发生聚变反应，产生碳元素，于是在碳催化的作用下，碳循环氢聚变反应更为剧烈的进行，7倍于太阳质量的恒星只需要2600万年就可以将氢元素消耗殆尽，走向红巨星区域，质量越大的恒星脱离主序的时间越短。
3. 箱式反应与造父变星
随着氢原子耗尽，核心密度增大，恒星开始膨胀变成一颗蓝巨星，外部壳层的氢进行最后的反应，维持恒星光度几乎不变，但表面温度则不断下降，这导致内在温度差增大，以至于对流现象不断加剧。 直到到了上图中的不稳定区域，由于巨大的对流气体的作用，恒星壳层物质被向外推，而在重力的作用下，被推出去的物质又被拉回来，就像一个具有活塞的箱式模型，不断震荡形成周期变化。 1784年，约翰古德里克观测到仙王座的亮星之一 — 造父星的周期脉动，他在氦聚变产生能量加热恒星气体的推力作用与巨大氦核的引力作用下不断亮暗，直到脱离这一奇妙的平衡区域。
4. 超新星爆发 — 剧烈的碳聚变反应
由于恒星核心密度和温度不断增加，很快上升到一亿度，此时，一个电子和一个光子相遇就会发生反应，放射出一个中微子与一个反中微子，然后携带着电子和光子的能量发射到宇宙中，这就让恒星核心发生冷却，从而延缓了碳聚变的发生。 等到终于达到碳发生反应的条件，恒星的极高密度让这一反应爆炸式的发生，与此同时，当碳原子核碰撞发生聚变时，可能会有多种产物，镁、氧、氖、钠将按一定比例产生，而其他重元素在此时也会发生聚变，从而加剧恒星爆炸式反应的剧烈程度。 恒星发生大爆炸，在很短时间内将大量重元素物质抛到宇宙中，这就是超新星爆发。
5. 脉冲射电 — 外星人还是新星体
今年1月9日《自然》杂志上发表的论文中，来自加拿大的射电望远镜“CHIM”宣布发现人类天文史上第二例重复 FRB 信号。哈佛大学一位教授谈论此事时，提到了“不排除是外星人发来的信号”的说法，一时间掀起了轩然大波，因为早在2011年人类就曾收到过相同信号，2012年、2018年再次收到，可信号源却分别来源于50亿光年、30亿光年、15亿光年之外，是有外星人正在向我们以超高的速度飞驰而来吗？目前我们还不得而知。 然而，这样的事却并不是第一次出现，早在1968年2月，《自然》杂志上就刊登了一个激动人心的消息 — 天文学家安东尼·休伊什宣布他们收到了来自宇宙空间的信号。
20世纪60年代，英国建造了占地2公顷的新型射电望远镜，正是这台最新型的射电望远镜收到了规律性的脉冲信号，相邻脉冲间隔只有1.33秒，脉冲以惊人的精确周期出现在望远镜的结果上，天文学家安东尼坚信这一定来自于智慧生物之手。 在《自然》杂志掀起天文热潮后，发现新脉冲信号的报道从世界各地接踵而至，他们都拥有着惊人等周期的辐射脉冲，最快的变化周期达到了一千万分之八秒，如果真的有外星人，那么为什么这些外星人为什么不约而同的全部选择用这样的周期脉冲来发出信号呢？看来，与外星人相比，这是某种未知天文现象的可能更大。 1969年，天文学家探测到了距离我们 6500 光年的金牛座蟹状星云中心发出的脉冲信号，蟹状星云正是我们前面提到的超新星爆发后所形成的，而这个爆发的过程在世界各地的史书中均有记载，《资治通鉴》中记载“至和元年五月己酉，客星晨出天关之东南可数寸，嘉祐元年三月乃没”，这个天空中持续了两年的巨大亮光就是超新星爆发的过程，既然如此，天文学家猜测脉冲信号是否与超新星爆发有关呢？ 于是，无数望远镜对准了天空中遥远星云的中心，果然功夫不负有心人，1977年，证实脉冲信号源于某种恒星的文章在《自然》杂志上刊登了出来，这是不是意味着恒星发生超新星爆发以后就会产生一个脉冲星呢？在当时这仍然是个谜。
6. 灯塔效应与脉冲星
脉冲星发出脉冲信号究竟是什么原因引起的呢？是像造父变星一样受重力和对流影响造成的吗？ 天文学家托马斯·格尔德提出了脉冲信号是由于恒星自转引起的假说。 但能发出如此短周期脉冲辐射就意味着这颗恒星密度要足够大，毕竟即便是当时所知密度最大的白矮星，要在一秒内自转几十周也足以将其撕碎，就这样，1939年奥本海默和沃尔科夫曾经提出的完全由中子构成的恒星 — 中子星进入了天文学家们的视野，这样的恒星每立方厘米有几十亿吨之巨，相当于把太阳压缩到直径30公里以内。 这颗在超新星爆发过程中获得巨大能量的中子星在爆发后开始旋转，他两极的磁场如同灯塔射出的灯光向茫茫宇宙中散发着射电辐射，地球被这样的“灯光”周期性的照射，于是就观测到了周期性的射电脉冲，这就是“灯塔效应”。
7. 恒星的结局
7.1. 白矮星的结局
就这样，人类终于顺着脉冲星的脉冲现象发现了超新星爆发的产物 — 中子星，然而银河系中有上百万颗中子星，这显然远高于走到生命尽头的大质量恒星的数量，那么是否有其他方式产生中子星呢？ 很自然，人们想到了天空中遍布的白矮星，他们作为小质量恒星的终极产物，在天空中飘荡着，但其巨大的质量仍然可以吸引星际物质。 随着物质的吸积，密度会随之增强，直到突破某一界限，物理学家钱德拉塞卡计算出了这个界限 — 钱德拉塞卡极限（正是由于这一发现，他在1983年获得了诺贝尔物理学奖），突破这一界限以后，白矮星再也无法维持其星球的边界，从而开始坍缩，在坍缩的过程中，其内部的碳就会继续进行核聚变反应。
7.2. 中子星的诞生
白矮星中的碳原子可以无限度的一直聚变下去，直到变成有无限个质子、中子构成的新原子吗？答案当然是否定的。 如氢这样的轻原子会通过聚变产生能量，而铀-238这样的重原子会裂变产生能量，但是他们裂变或聚变成铁原子以后，将不会再发生核反应，因此最终，当反应到最后，中子星的核心变成一个气态铁球，压力与重力相互平衡，恒星上的反应便结束了。 但是，铁原子核仍然会捕获星际物质中飞驰而来的电子，质子与电子聚合成一个中子。 由于铁气球的对外压力主要来源于电子的运动，所以电子被原子核捕获后，气态铁球就会崩陷坍缩，使铁气球的密度与温度进一步升高，最终只剩下一个仅由中子构成的恒星 — 中子星，这一过程短暂而猛烈，伴随着一次巨大的超新星爆发，核心以外的物质被抛出到宇宙空间中，只留下在中心的中子星。
7.3. 中子星的结局
和白矮星一样，中子星也可能会凭借其巨大的质量吸附星际物质，在这个过程中，中子星的极限更容易被突破，只要它的质量吸积到太阳的两倍，就会发生猛烈的坍缩，其过程将远小于一秒钟。 坍缩猛烈而无休止的进行，密度越来越大，引力越来越强，直到连光线都无法逃脱其引力，此时他的半径小于了史瓦西半径 — 著名物理学家卡尔史瓦西测算出的天体极限半径，一种新的天体诞生了 — 黑洞。
8. 恒星的命运
两篇文章以来，我们看到了恒星的命运，小质量的恒星变成一颗碳球 — 白矮星，而大质量的恒星则最终会变成中子星，如果剩余质量过多，就会引发坍缩，变成黑洞。 无论是哪条演化之路，恒星的命运就是在表面气体向外的压力与自身的引力斗争，要么在沉默中爆发，要么在沉默中沉沦，最终都是向着密度更大的形态前进，而随着他们最终剧烈反应造成的爆发，恒星一部分质量被抛向空中，新一代恒星便会在这些被抛出的物质中诞生。
（图为老鹰星云内圆柱形的星际气体和尘埃，被称为“创生之柱”）
9. 洛希极限与双星系统
最后，我们来聊一下一种奇特的天文现象 — 双星系统的演化过程。
在天空中有着很多的双星系统，比如肉眼可见的英仙座亮星 Algol，在中国古代他被称为大陵五，他每隔69小时周期性的变暗一次，7小时后再次变亮，据观测，这是一个小质量的红巨星在大质量的主序星 — 大陵五引力作用下围绕大陵五旋转、掩食造成的。
等一下，按照我们此前的理论，恒星的反应会随着质量增加而加剧，也就更加迅速的走完其一生，那么，一个星团中同时诞生的两颗恒星，质量小的恒星怎么会先进入到红巨星阶段呢？ 带着疑问，天文学家用计算机模拟了一个由9倍太阳质量与 5 倍太阳质量构成的双星系统的演化，他们相距 13.2 倍太阳半径相互围绕旋转，1250万年后，质量大的9倍太阳质量的恒星耗尽了核心区域的氢原子，开始慢慢膨胀进入红巨星阶段，然而，当膨胀刚刚进行没多久，大质量恒星因为突破了流体洛希极限，他的物质就开始流到小质量的伴星上。
在电影《流浪地球》中提到了洛希极限的概念，这就是1850年由著名数学家、天文学家洛希提出的概念，指的是两个相互围绕旋转的星体，其能够维持围绕运动而不会因为引力作用被另一个星体捕获的最小距离，这里我们就不说电影中关于洛希极限的明显谬误了。 经过6万年，大质量恒星损失掉 5.3 倍太阳质量的物质，而其伴星捕获到这些物质后变成了一颗 10.3 倍太阳质量的主序星，就这样，两颗恒星的地位互换了，小质量的红巨星开始围绕着大质量的主序星旋转。
10. 参考资料
鲁道夫·基彭哈恩 《千亿个太阳》。
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