白矮星會(huì)不斷吸積，增加自身質(zhì)量，為啥體積反而變小呢？

這是一個(gè)有趣的問(wèn)題，過(guò)去沒(méi)注意到，也沒(méi)有說(shuō)過(guò)這個(gè)問(wèn)題。要回答這個(gè)問(wèn)題，我們首先要了解一下恒星演化后期的歸宿：恒星的4種尸骸。

太陽(yáng)類恒星的尸骸是白矮星

白矮星是中小質(zhì)量恒星，也就是約太陽(yáng)質(zhì)量0.5倍~8倍之間這種不大不小的恒星，死后留下的尸骸。這個(gè)尸骸的質(zhì)量在太陽(yáng)0.2~1.4倍之間，從這個(gè)質(zhì)量梯度來(lái)看，越小恒星留下的比例就越多，而到了7~8倍太陽(yáng)質(zhì)量恒星，死亡后留下的質(zhì)量就只有不到20%了。

中小質(zhì)量恒星在演化后期都會(huì)膨脹成為紅巨星，然后外圍物質(zhì)漸漸消散在太空，成為新的星云物質(zhì)，核心部分留下一個(gè)致密的核，這就是白矮星。白矮星的體積和地球差不多，但質(zhì)量卻有1個(gè)太陽(yáng)左右，因此密度極高，達(dá)到每立方厘米1~10噸。（上圖左為白矮星）

紅矮星的尸骸是黑矮星

最小的恒星，即太陽(yáng)質(zhì)量的0.08~0.5倍之間的恒星，被稱為紅矮星。這種小質(zhì)量恒星核心壓力和溫度達(dá)不到激發(fā)氦核聚變的能力，最終不會(huì)膨脹為紅巨星，只會(huì)慢慢燃燒殆盡，成為一個(gè)黑矮星。但紅矮星的壽命超長(zhǎng)，越小越長(zhǎng)，最小的紅矮星壽命可達(dá)數(shù)千乃至數(shù)萬(wàn)億年，因此有些紅矮星的壽命可以延續(xù)到宇宙終結(jié)。

由于紅矮星壽命超長(zhǎng)，所以至今人類也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)黑矮星，因?yàn)樗械募t矮星都正當(dāng)青壯年，離變成黑矮星還早著呢。太陽(yáng)系毀滅后，它們也還都活蹦亂跳著呢。由于紅矮星有著超長(zhǎng)的壽命，一般認(rèn)為，紅矮星是生命和文明的搖籃。

中大質(zhì)量恒星的尸骸是中子星

太陽(yáng)質(zhì)量8倍以上的恒星，演化后期會(huì)發(fā)生超新星大爆發(fā)，最終在核心部分留下一個(gè)更加致密的核，這個(gè)核有兩種，一種是中子星，一種是黑洞。一般認(rèn)為30~40倍以下太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，超新星大爆炸后，會(huì)留下一個(gè)中子星。

更大質(zhì)量的恒星，留下的就是黑洞。中子星質(zhì)量在太陽(yáng)的1.44~3.2倍之間，半徑只有10km左右，因此密度極高，達(dá)到每立方厘米1~10億噸；

大質(zhì)量恒星的尸骸是黑洞

超過(guò)太陽(yáng)質(zhì)量40倍以上的恒星，大爆炸后留下的是一個(gè)黑洞。黑洞都在太陽(yáng)質(zhì)量3倍以上，核心是一個(gè)無(wú)限小的重力點(diǎn)，又叫奇點(diǎn)，所有的質(zhì)量都集中到這個(gè)體積無(wú)限接近零的奇點(diǎn)上，因此無(wú)法衡量其密度，也就是密度無(wú)窮大。

黑洞的表現(xiàn)是，圍繞著奇點(diǎn)會(huì)有一個(gè)極端的球狀對(duì)稱空間，在這個(gè)空間里，理論上什么也沒(méi)有，什么也看不到，什么也逃脫不了。人們把這個(gè)空間叫史瓦西半徑，把空間內(nèi)外交匯的球面叫事件視界。一個(gè)3倍太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞，史瓦西半徑不到9km。

從恒星留下的各種尸骸，我們可以看到，質(zhì)量越大的恒星，留下的尸骸質(zhì)量越大，密度越高，體積越小。這就為我們回答本問(wèn)題得到了一個(gè)啟示：在致密天體行列，質(zhì)量越大體積越小。

宇宙中白矮星知多少？

在我們太陽(yáng)系周邊，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了500余顆白矮星。距離我們8.6光年距離的天狼星，是一個(gè)雙星系統(tǒng)，其中天狼星A是一個(gè)藍(lán)矮星，約太陽(yáng)質(zhì)量的2倍，比太陽(yáng)溫度、光度高很多；天狼星B就是一顆白矮星，體積和地球差不多，質(zhì)量卻有太陽(yáng)的1.1倍。

白矮星雖然溫度很高，表面可以達(dá)到數(shù)萬(wàn)K，但由于太小，因此亮度就小。如天狼星B的亮度只有天狼星A約萬(wàn)分之一，天狼星A是夜空全天最亮的恒星，而天狼星B肉眼卻無(wú)法看到。

雖然白矮星光度很小，用望遠(yuǎn)鏡還是能夠看到。早在1939年，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)了18顆白矮星，現(xiàn)在通過(guò)巡天望遠(yuǎn)鏡，更是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了上萬(wàn)顆。據(jù)天文學(xué)家們估計(jì)，銀河系的白矮星數(shù)量約占恒星總數(shù)的10%左右。

銀河系有2000~4000億顆恒星，按照這個(gè)規(guī)模，白矮星就有200~400億顆。這個(gè)估計(jì)應(yīng)該是基于宇宙年齡和恒星壽命得出的。

科學(xué)認(rèn)為宇宙年齡約138億歲，宇宙中像太陽(yáng)質(zhì)量8倍以下，0.8倍以上恒星約占恒星總量的20%左右，太陽(yáng)壽命約100億歲，這樣，和太陽(yáng)質(zhì)量差不多的恒星就都應(yīng)該死過(guò)一回了，因此宇宙中白矮星占恒星總量的10%左右，應(yīng)該是一個(gè)較為保守的估計(jì)。

白矮星為什么會(huì)吸積呢？

在我們銀河系乃至整個(gè)宇宙的恒星世界，像我們太陽(yáng)這樣的獨(dú)生子的只是少數(shù)，多星系統(tǒng)約占整個(gè)恒星系統(tǒng)的60~70%，在多星系統(tǒng)中，中小質(zhì)量恒星占絕大多數(shù)。這種恒星結(jié)構(gòu)給白矮星吸積創(chuàng)造了條件。

決定恒星壽命的是恒星的質(zhì)量，質(zhì)量越大壽命就越短，質(zhì)量越小壽命就越長(zhǎng)，前面說(shuō)的紅矮星壽命超長(zhǎng)就是這個(gè)道理。多星系統(tǒng)中每顆恒星質(zhì)量是不可能完全一樣的，壽命就有長(zhǎng)有短，這樣，先死去的恒星就會(huì)在系統(tǒng)中留下一顆白矮星。

天狼星雙星系統(tǒng)就是一個(gè)例子，研究認(rèn)為，現(xiàn)在的天狼星B，前身就是一顆約太陽(yáng)質(zhì)量5倍的藍(lán)矮星，因此先去世留下了一顆白矮星。

白矮星是極端天體，引力極大。如天狼星B表面重力是太陽(yáng)的64000多倍，是地球的180萬(wàn)倍，這樣，白矮星將伴星的外圍物質(zhì)拉扯到自己身上就順理成章了。天狼星A、B雙星的平均距離只有20AU（天文單位，1AU約1.5億千米），還不到我們與天王星的距離，天狼星A飄散的物質(zhì)就會(huì)被天狼星B吸取。

特別是等到天狼星A演化后期，會(huì)膨脹成為紅巨星，半徑增大了200~300倍，外圍物質(zhì)就更送入了天狼星B的狼口了。宇宙中這種現(xiàn)象很多，這就是白矮星吸積發(fā)生的主要原因。

白矮星吸積后會(huì)發(fā)生什么呢？

前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，白矮星是有質(zhì)量上限的，這個(gè)上限就是太陽(yáng)質(zhì)量的1.44倍。這個(gè)上限是印度裔美國(guó)科學(xué)家馬尼揚(yáng)·錢德拉塞卡發(fā)現(xiàn)的，由此他獲得了1983年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而他發(fā)現(xiàn)的這個(gè)上限就叫錢德拉塞卡極限。

因此，當(dāng)一個(gè)白矮星不斷的貪吃，將自己質(zhì)量不斷的加大時(shí)，就有可能超過(guò)錢德拉塞卡極限。到達(dá)這個(gè)極限，依靠電子簡(jiǎn)并壓支撐的白矮星形態(tài)就再也撐不住了，就會(huì)進(jìn)一步坍縮，成為一個(gè)更加致密的天體~中子星。

在成為中子星之前，白矮星要打幾個(gè)飽嗝，這個(gè)飽嗝就會(huì)驚天動(dòng)地，就是超新星爆發(fā)?？茖W(xué)家們把這種類型的超新星叫做la型超新星，la型超新星有一個(gè)特點(diǎn)，就是都在1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量的時(shí)候發(fā)生，因此爆炸的威力和光度是基本一致的，這就為科學(xué)家們測(cè)量宇宙天體距離提供了一個(gè)準(zhǔn)星，天文學(xué)家們把它叫做標(biāo)準(zhǔn)燭光。

超新星爆發(fā)的能量是巨大的，亮度很高?？茖W(xué)家們利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)最遠(yuǎn)的la型超新星距我們105億光年，編號(hào)為SN UDS10Wil（上圖）。

所有l(wèi)a超新星爆發(fā)能級(jí)和亮度都差不多，這樣，科學(xué)家們就可以根據(jù)觀測(cè)到的亮度得到星等，從而測(cè)算出它們與我們的距離。由此得到與它們同在一個(gè)星系或附近的恒星距離，再根據(jù)恒星距離和觀測(cè)到的亮度光譜，得出恒星的質(zhì)量和元素成分等一系列基本參數(shù)。這就是“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的意義。

因此白矮星及其發(fā)生的la超新星爆發(fā)，對(duì)于人類了解和觀測(cè)宇宙，有著十分重大的意義。

現(xiàn)在歸根結(jié)底說(shuō)說(shuō)，白矮星吸積增加質(zhì)量，為啥體積不會(huì)增大反而縮小？

相信看了前面的一些解釋，朋友們已經(jīng)得出了這么一個(gè)結(jié)論：質(zhì)量越大的恒星殘骸，體積相對(duì)會(huì)更小，這是個(gè)基本規(guī)律。根本原因是因?yàn)橘|(zhì)量越大引力壓縮力就越大，物質(zhì)被壓縮得就越致密，物質(zhì)密度增大了，體積相對(duì)質(zhì)量不就變小了？

當(dāng)然這種現(xiàn)象只是在極高密度的天體上發(fā)生，在我們?nèi)粘Ｉ钪校魏挝镔|(zhì)增加，同樣體積也會(huì)增加，這是由于引力作用很小的緣故。但到了致密天體，就不是我們所了解的日常物質(zhì)了。

我們知道，在地球上所有物質(zhì)都是由原子組成的，而原子的電子外殼很大，原子核很小，但卻占有了整個(gè)原子99.96%的質(zhì)量，因此原子是一個(gè)虛空的世界，由原子組成的物質(zhì)從某種意義上來(lái)說(shuō)內(nèi)部是虛空的。

但白矮星已經(jīng)不是我們認(rèn)識(shí)的地球任何物質(zhì)了，由于極大的引力壓力，組成白矮星的原子的電子外殼被壓碎，所有電子游離成為自由電子，但原子核還是夾在電子的海洋中，依然保持著核子的形態(tài)。

這是由于電子們還在竭力維護(hù)自己的核心主子，它們依靠電子簡(jiǎn)并壓抵抗著巨大的引力壓，勉強(qiáng)維持著原子核的完整。但這種物質(zhì)形態(tài)已經(jīng)不是我們認(rèn)識(shí)的物質(zhì)形態(tài)了，是比地球任何物質(zhì)都更緊密結(jié)實(shí)的物質(zhì)了，其密度達(dá)到驚人的1~10噸/cm^3。

但如果白矮星再增加自身質(zhì)量，引力壓力就會(huì)進(jìn)一步加大，超過(guò)了臨界點(diǎn)，電子簡(jiǎn)并壓就再也無(wú)法承受了，這個(gè)臨界點(diǎn)就是1.44倍太陽(yáng)質(zhì)量。

白矮星不斷的吸積貪吃，就會(huì)超過(guò)這個(gè)臨界點(diǎn)，由此電子簡(jiǎn)并壓被壓塌，形成新的坍縮態(tài)勢(shì)，粒子間的空隙就會(huì)大大縮小，體積當(dāng)然就更小了。坍縮的結(jié)果就是電子被無(wú)情地?cái)D壓到原子核里面，與帶正電的質(zhì)子中和成為了中子，加上原子核里面原來(lái)的中子，整個(gè)原子就蛻變成為一個(gè)中子核。

中子核外部沒(méi)有電子外殼，就一點(diǎn)空隙也沒(méi)有了，整個(gè)星球的所有中子核就都擠在一起了。這樣，整個(gè)星球就成為一個(gè)大中子核，這個(gè)星球就叫中子星。中子星是靠中子簡(jiǎn)并壓勉強(qiáng)支撐著強(qiáng)大引力壓，中子與中子之間還勉強(qiáng)有那么一點(diǎn)點(diǎn)空隙，因此中子星就還保持著有形的天體形象。

當(dāng)中子星通過(guò)吸積增加質(zhì)量，達(dá)到奧本海默極限時(shí)，中子簡(jiǎn)并壓就也支撐不住了，就會(huì)繼續(xù)坍縮成一個(gè)黑洞。奧本海默極限是猶太裔美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·奧本海默發(fā)現(xiàn)的，奧本海默還是著名的科學(xué)組織家，是美國(guó)“曼哈頓計(jì)劃”的主要技術(shù)負(fù)責(zé)人，這個(gè)計(jì)劃研制出世界最早的原子彈。

奧本海默極限還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確上限值，一些科學(xué)觀察研究認(rèn)為，中子星上限值分為兩種，一種是不旋轉(zhuǎn)中子星，上限約2.16個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量；一種是旋轉(zhuǎn)中子星，上限為3.2個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。

關(guān)于為啥白矮星吸積質(zhì)量越大體積越小的問(wèn)題就回到到這里。可能朋友們會(huì)對(duì)文內(nèi)的電子簡(jiǎn)并壓和中子簡(jiǎn)并壓有點(diǎn)疑惑，這是個(gè)什么壓力呢？需要了解的可看如下延伸閱讀。

延伸閱讀：泡利不相容原理

所謂電子簡(jiǎn)并壓和中子簡(jiǎn)并壓是什么呢？這就需要了解泡利不相容原理了。這個(gè)原理是奧地利裔美籍物理學(xué)家沃爾剛夫·泡利發(fā)現(xiàn)的，為此他獲得了1945年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這個(gè)原理是量子力學(xué)微觀粒子運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律之一，簡(jiǎn)單的原理就是在費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中，不能有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的粒子處于完全相同狀態(tài)。通俗的說(shuō)，這些費(fèi)米子粒子不能夠相互擠在一起，它們之間會(huì)表現(xiàn)出不愿在一起的相互排斥力。

什么是費(fèi)米子？是微觀世界兩大類基本粒子之一，一類為玻色子，另一類為費(fèi)米子。在一個(gè)體系的量子態(tài)上，只允許容納一個(gè)粒子，或者說(shuō)自旋為半奇數(shù)的粒子，統(tǒng)稱為費(fèi)米子。具體說(shuō)，就是中子、質(zhì)子、電子都屬于費(fèi)米子。有人通俗的比喻，費(fèi)米子就像一群玩耍的小孩子，他們?cè)谝粋€(gè)狹小空間，就會(huì)你推我搡，相互不讓同伴靠近。

這種相互排擠的斥力就叫簡(jiǎn)并壓，簡(jiǎn)并壓的排斥力不屬于四種基本力中的任何一種。四種基本力相互作用時(shí)需要交換媒介子，如引力需要引力子為媒介，電磁力需要光子為媒介，強(qiáng)力需要膠子為媒介，弱力需要玻色子為媒介。

簡(jiǎn)并壓是粒子之間相互交換作用力產(chǎn)生的排斥力，其交換相互作用只發(fā)生在全同粒子之間，不需要任何媒介，本質(zhì)上是一種波函數(shù)的干涉效應(yīng)，因此也不涉及任何“力”。

這種斥力有點(diǎn)像分子熱運(yùn)動(dòng)，溫度升高，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)加劇，氣體的體積就增大，反之就縮小，這與任何“力”無(wú)關(guān)。電子簡(jiǎn)并壓可以想象成由“電子熱運(yùn)動(dòng)”產(chǎn)生的“電子氣壓”，因此簡(jiǎn)并壓越深入到微觀更深層次，物質(zhì)空隙就越小，密度越大，斥力就越大，就能夠抵御更大的引力壓力。（其內(nèi)能大小遵循的公式見(jiàn)上圖）

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