都是引力作用，為啥恒星質(zhì)量與體積成正比，白矮星中子星卻相反？

恒星質(zhì)量越大，體積更大；而白矮星中子星等極端天體，質(zhì)量越大，體積卻越小。這看起來似乎有些矛盾，其實是萬有引力和天體演化機(jī)制導(dǎo)致的奇妙現(xiàn)象。

先說說萬有引力

牛頓最偉大的貢獻(xiàn)就是發(fā)現(xiàn)了萬有引力，是人類最早發(fā)現(xiàn)的四種基本力之一。萬有引力是我們生活中接觸到的最廣泛最容易理解的力，是四種力中最弱的力，只有10^-34N，是強(qiáng)力的1/10^-38，電磁力的1/10^-36，弱力的1/10^-32。

但強(qiáng)力和弱力作用只在原子核內(nèi)，作用距離極短，引力和電磁力是長程力，理論上可以無限遠(yuǎn)。在我們周圍的一切，天上和地下，都受到引力影響，我們都被引力拉拽在地表活動，跳也跳不了多高；地球被太陽引力拉拽著圍繞它轉(zhuǎn)圈圈；太陽被銀河系中心引力拉拽著圍繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)。

萬有引力定律表述為：F=GMm/r^2，這里的F表示引力大小值，單位N/s^2（牛頓/平方秒）；G為引力常量，一般取值為6.67*10^-11,單位N·m^2/kg^2（?！て椒矫?平方千克）;M和m是相互作用大小物體的質(zhì)量，單位kg。

從引力定律來看，兩個物體之間引力大小，與它們質(zhì)量的乘積成正比，與距離平方成反比。這就是說，質(zhì)量越大的物體，引力越大，質(zhì)量越小的物體引力越小，距離越近，引力越大，距離越遠(yuǎn)，引力會呈數(shù)量級衰減。但再怎么衰減，也還會有那么一點點，因此引力作用可以無限遠(yuǎn)。

如發(fā)生在13億光年黑洞相撞的引力波，經(jīng)過13億年在太空的傳輸來到地球，雖然只驅(qū)動了引力探測裝置4km長臂移動了一個質(zhì)子直徑的萬分之一，還是被人類所捕捉。

但宇宙中充滿了天體，它們之間的引力相互影響，因此一個天體引力達(dá)到一定范圍，作用力就會很小，實際上就可以忽略不計了。

恒星演化機(jī)制。

所有物質(zhì)都是由粒子組成，恒星主要由氫和氦組成，還有1%左右的其他元素。這些元素每一個都很小，但也有引力，因此，它們開始漂浮在太空，在自身引力作用下漸漸相互吸引聚集在一起，形成一坨巨大的原始恒星云。隨著其相互引力作用，收縮會越來越緊，向心的引力壓就越來越大。

恒星云不斷收縮，由于收縮不均衡，就會漸漸旋轉(zhuǎn)起來，而且隨著體積縮小旋轉(zhuǎn)的越來越快，離心力就會將赤道星云甩出去，漸漸形成一個恒星吸積盤（也有叫行星盤）。隨著核心收縮越來越快，就會形成坍縮之勢，核心壓力和溫度急劇升高，達(dá)到一個臨界點就引發(fā)了氫核聚變，這樣恒星就生成了。

太陽核心溫度約1500萬K，壓力約為3000億個地球大氣壓，表面溫度約6000K。

恒星質(zhì)量越大，向心引力壓就會越大。根據(jù)引力規(guī)律，質(zhì)量越大的恒星就會收縮得越緊密，因此體積會越小，這是引力作用的基本規(guī)律。但恒星為什么沒有隨著質(zhì)量增大而體積變小呢？

這是由于恒星演化的特殊規(guī)律導(dǎo)致的，這個規(guī)律就是恒星中心都在進(jìn)行核聚變。核聚變會產(chǎn)生巨大的輻射壓，抵御住收縮的引力壓，這樣恒星就成為一個體積穩(wěn)定、發(fā)光發(fā)熱的等離子球體，進(jìn)入了恒星主序星階段。

主序星階段是恒星主要壽命階段，一般占有恒星總體壽命的約90%以上時間，形成階段和衰老過程只占不到10%時間。

恒星質(zhì)量越大體積也相應(yīng)加大的原因

我們隨便點幾顆恒星，就可以看出這個規(guī)律。天狼星A星質(zhì)量為太陽的2.063倍，直徑是太陽的1.7倍，體積是太陽的約5倍；織女星質(zhì)量為太陽的2.135倍，直徑是太陽的2.5倍，體積約太陽的15.6倍；軒轅14A星質(zhì)量是太陽的3.8倍，直徑為太陽3.1倍，體積約太陽30倍。

質(zhì)量越大的恒星，核心的壓力和溫度越高，因此核聚變反應(yīng)的劇烈程度越大，氫的消耗越快，因此其壽命越短。

既然質(zhì)量越大的恒星核聚變反應(yīng)越激烈，因此形成的輻射壓也就越大，這些輻射壓不但會頂住巨大的引力向心壓，還會向恒星表面催動，讓星體外圍物質(zhì)在高溫下膨脹。

質(zhì)量越大的恒星，表面溫度越高，亮度越大就是這個道理。我們知道，恒星是由熾熱的氫氦氣體組成，而氣體溫度越高，體積就會越大。家里用水壺?zé)?，燒開后水蒸氣會將壺蓋頂開，蒸氣還會彌漫到整個廚房或屋子里，也是這個道理。

這就是恒星質(zhì)量越大體積越大的原因，這也是恒星有一個質(zhì)量界限的原因。

愛丁頓極限

天文物理學(xué)有一個“愛丁頓極限”，說的就是恒星質(zhì)量的上限，一般認(rèn)為不能超過200個太陽質(zhì)量左右。

這個理論認(rèn)為，在球?qū)ΨQ前提下，天體的輻射壓力不得超過引力的光度上限值。如果恒星質(zhì)量太大，超過了愛丁頓極限，內(nèi)核產(chǎn)生能量的速率太大，恒星通過光輻射散熱速度小于能量產(chǎn)生的速度，內(nèi)核累積的能量得不到宣泄，這些能量就會通過光能-->熱能-->動能-->引力勢能，從內(nèi)核一層層傳遞到恒星外圍。

最終光能轉(zhuǎn)化為引力勢能，而引力勢能的表現(xiàn)形式就是相互遠(yuǎn)離，這樣恒星就會形成各部分膨脹拉升相互遠(yuǎn)離的局面，最終外層結(jié)構(gòu)瓦解。

這就是恒星質(zhì)量越大，體積也會更大，而且質(zhì)量不得超過上限的道理。目前人類發(fā)現(xiàn)最大質(zhì)量恒星是距離我們約16萬光年的r136a1，這是一顆坐落在大麥哲倫星云中的恒星，原來認(rèn)為這顆恒星質(zhì)量在太陽的265~315倍之間，新的研究認(rèn)為它只有太陽質(zhì)量的215倍。

這顆恒星直徑是太陽的39.2倍，因此，體積是太陽的6萬多倍。這就是恒星質(zhì)量越大體積更大的原因。

白矮星的形成機(jī)制

白矮星是太陽類恒星，也就是約太陽0.8~8倍之間的恒星，演化末期消亡后留下的一個殘骸。其體積只有地球大小，但質(zhì)量卻在太陽的0.5~1.4倍之間，因此是一種致密的天體，其密度可達(dá)1~10噸/cm^3。

這種天體為啥這么致密呢？這是因為太陽類恒星的核心溫度和壓力，只能激發(fā)氫核聚變，在演化后期，核心的氫已經(jīng)消耗殆盡，核心就會留下一個氦核，而氦核聚變在太陽壓力下還需要1億度高溫，這時的太陽溫度和壓力無法激發(fā)氦核聚變，核聚變就停止了。

核聚變停止，輻射壓就沒有了，這樣巨大的引力收縮壓就以排山倒海之勢向核心壓來。其實排山倒海只是一個形容，引力向心壓的塌縮之勢遠(yuǎn)比排山倒海的速度和壓力要大很多倍。這樣核心溫度和壓力就會急劇升高，達(dá)到氦核聚變的要求。

氦核聚變速度很快，還會發(fā)生氦閃，爆發(fā)出2億K溫度和巨大輻射壓，向恒星外圍驅(qū)動，促使恒星外圍氣體膨脹起來。這樣太陽類恒星就變成一顆紅巨星，直徑比現(xiàn)在要大200倍以上。

此時，太陽類恒星引力無法控制這么巨大體積外圍物質(zhì)，這些氣體就會漸漸飄散到太空，這樣太陽引力就會越來越小，再也激發(fā)不了下一輪更高層次的核聚變，核心的聚變到碳就結(jié)束了，外殼散盡后就會留下一個碳核。

這就是白矮星。白矮星質(zhì)量約太陽的0.5~1.4倍，體積卻只有地球大小，因此白矮星的密度已經(jīng)達(dá)到1~10噸/cm^3。

這是因為組成白矮星的碳核已經(jīng)不是普通的碳原子組成了，而是在極高壓力下碳原子外圍電子被壓垮成為自由電子，電子之間的層級空間被壓縮得很小，只是原子核還保留著完整狀態(tài)。

我們知道，地球上任何物質(zhì)都是由原子組成，而原子在電子包裹下顯得很空曠，原子核只是整個原子體積的萬億分之一，因此我們看到的地球物質(zhì)，實際上都是很疏松的。白矮星就是把這個疏松的原子壓垮了成為一個密實的原子，但原子核還保留完整，電子之間也還有一些空隙。

白矮星物質(zhì)屬于電子簡并態(tài)物質(zhì)。何謂電子簡并態(tài)？就是依靠電子簡并壓維持住物體形態(tài)的物質(zhì)。

泡利不相容原理

了解簡并態(tài)物質(zhì)，需要了解泡利不相容原理。這個原理是瑞士籍奧地利理論物理學(xué)家泡利·沃爾夫?qū)?925年發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立的理論，為此他被授予1945年諾貝爾物理學(xué)獎。

泡利不相容原理的主要內(nèi)核就是，在費米子粒子系統(tǒng)，粒子之間有天然的排斥力，它們就像一群孩子，互不相容你推我搡，這樣就形成了簡并壓。

電子、中子、質(zhì)子都屬于費米子，都有這種特性。比如在原子的同一軌道中不能容納運動狀態(tài)完全相同的電子，一個原子中不可能有電子層、電子亞層、電子云伸展方向和自旋方向完全相同的兩個電子。

這樣，當(dāng)一個天體壓力達(dá)到極端時，會把原子壓垮，但由于電子之間有著不相容性質(zhì)，就會竭力地保持著一定距離，這種排斥壓力抵御住引力壓力，讓這個星球保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，這就是白矮星存在的根據(jù)。

白矮星依靠電子簡并壓支撐著引力壓，因此物質(zhì)叫電子簡并態(tài)物質(zhì)。而中子星是依靠中子簡并壓支撐著引力壓，中子星上的物質(zhì)就叫中子簡并態(tài)物質(zhì)。

錢德拉塞卡極限和奧本海默極限

在白矮星和中子星的研究理論中，有兩個極限，一個是錢德拉塞卡極限，一個是奧本海默極限，這兩個極限是以兩位科學(xué)家名字命名的，也就是他們通過泡利不相容原理計算出來的白矮星和中子星質(zhì)量極限。

引力與質(zhì)量成正比，當(dāng)白矮星的質(zhì)量達(dá)到錢德拉塞卡極限，也就是約1.44倍太陽質(zhì)量時，電子簡并壓就無法承受這個引力壓了，電子被完全壓垮到原子核里面，與質(zhì)子合并成為中子，加上原來的中子，整個星球就成為一個主要由中子組成的大中子核，這就是中子星。

中子星是依靠中子簡并壓，也就是中子之間的相互排斥力來抵御比白矮星更大的引力壓力的，因此是一種更致密的天體，密度達(dá)到1~20億噸/cm^3。中子簡并壓的極限就是奧本海默極限，這個極限就是約3倍太陽質(zhì)量。當(dāng)中子星達(dá)到這個質(zhì)量時，就會繼續(xù)坍縮成更致密的天體~夸克星或黑洞。迄今為止，人們還沒有發(fā)現(xiàn)夸克星，一般認(rèn)為中子簡并壓被壓垮后，會直接坍縮成一個黑洞。

中子星形成機(jī)制有兩個，除了前面說的白矮星質(zhì)量超過錢德拉塞卡極限，進(jìn)一步坍縮為中子星，還有一個形成機(jī)制，就是太陽質(zhì)量8~30倍恒星演化末期，發(fā)生超新星大爆發(fā)后，核心留下的一個殘骸。大于太陽質(zhì)量30或40倍以上的恒星，死亡后會直接留下一個黑洞。

白矮星和中子星質(zhì)量越大體積越小的原因

這是因為白矮星或中子星內(nèi)部的核反應(yīng)完全停止了，并不存在輻射壓來抵御自身引力壓，而是依靠簡并壓來與引力壓平衡。當(dāng)白矮星或中子星質(zhì)量越大，引力壓相對越大時，其電子簡并壓或中子簡并壓之間排斥出來的隙縫就會被壓得越小，當(dāng)小到一個極限就會摧毀簡并壓，升級到上一級極端天體。

因此，當(dāng)白矮星只有太陽質(zhì)量在1倍太陽質(zhì)量以下時，電子簡并壓抵御引力壓就會輕松些，電子之間的間隙就會稍大些，這樣體積當(dāng)然也就大一點了；但質(zhì)量越來越大，越來越靠近錢德拉塞卡極限時，電子之間的排斥隙縫就會被壓得越來越小，體積當(dāng)然就越來越小。

一般來說，依靠電子簡并壓支撐的白矮星體積會與地球差不多；而依靠中子簡并壓支撐引力壓的中子星，半徑就只有10千米左右了；黑洞就極端了，物質(zhì)被壓縮到核心無限小的奇點上，其引力會在周邊形成一個球形極端空間，任何物質(zhì)掉入這個球形空間都將化為烏有，一去不復(fù)返。

標(biāo)準(zhǔn)燭光

白矮星由于吸積，質(zhì)量越來越大，到達(dá)極限壓垮電子簡并壓時，一般都會伴隨巨大能量爆發(fā)，這就是la超新星爆發(fā)。由于la超新星爆發(fā)的能量幾乎一致，這樣人們就可以憑著觀測其光度和星等，換算出這顆超新星的距離，由此也得出它附近其他天體的距離。因此la超新星被稱為宇宙標(biāo)準(zhǔn)燭光，是大尺度空間較為精準(zhǔn)的量天尺。

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