这个标题可能有些奇怪,但本文是为了回答网友的问题。这位网友提出:整个太阳系的质量能超过钱德拉塞卡极限么?他说,太阳系质量包括太阳,以及八大行星加几百颗卫星、小行星、科伊伯带、加奥尔特云带数不清的彗星与星际物质,加起来应该远超钱德拉塞卡极限(约1.44倍太阳质量)吧?
所以,是这位网友的问题有些奇怪,或者说这个问题本身就是荒谬的。提问的朋友显然不清楚钱德拉塞卡极限是什么,或者说没有掌握基本的天文物理学常识,才会问出如此不靠谱的问题。但这种求知欲还是很值得肯定的,因此我就来尽量通俗地试着解答这个问题。
发现并创立钱德拉塞卡极限理论的是苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡,他是一位美籍印度裔天体物理学家,诺贝尔奖得主。钱德拉塞卡极限,是指电子简并态物质的质量上限,超过这个上限就会发生重力坍塌成中子简并态。因此,这个理论仅限于电子简并态物质,而不是指任意物质,更不是指恒星质量上限。
何为电子简并态物质呢?就是在极端压力下,组成物质的原子外围电子会在高压下发生改变,也就是电子再也不是那么规则的围绕着原子核运动,但依然会支撑着让原子核保持完整状态,原子核就像在电子的海洋中游泳。
原子核之所以还没垮塌被粘在一起发生核聚变,是因为遵循泡利不相容原理,电子之间巨大的斥力维持着这种状态。泡利不相容原理是美籍奥地利裔物理学家、量子力学奠基人之一、诺贝尔奖得主沃尔夫冈·泡利发现的,这个理论是微观粒子运动的规律之一,很复杂,就不展开说了。
电子简并态物质是因为原子的空间被压缩了,物质就会变得极端致密,密度达到每立方厘米1吨以上。这种物质无法在地球上存在,人力也无法制造出来,只能在某些种类恒星核心和白矮星上存在。所谓钱德拉塞卡极限讲的就是白矮星,当白矮星质量达到1.44个太阳质量时,电子简并态就再也维持不住引力压力而发生引力坍缩,变成中子简并态物质。
在坍塌过程,会产生极大的能量爆发,这种能量爆发的现象,就是la型超新星爆发。由于la型超新星爆发的能量都大致在一个质量标准上,所以被称为测量宇宙天体距离的标准烛光。
白矮星是类似太阳这种质量的恒星死亡后的尸骸。在太阳演化后期,核聚变反应从氢到氦的聚变完成后,核心没有了核聚变辐射的支撑,恒星外围物质在自身引力作用下就会向核心坍缩,由此导致了核心压力和温度急剧升高,激发了氦核聚变。
这种过程会不断升级,核聚变从氦、锂、铍、硼到碳,像太阳这种质量的恒星,最终的压力和温度导致的核聚变反应只能维持到碳就结束了,无法再升级到更高层次的核反应。
因此,太阳这样质量的恒星,在演化末期,核心就会留下一颗高密度的碳星,叫白矮星。演化末期的太阳不断膨胀,外围气体分子最终消散在太空,最终外衣剥光,就只剩下一颗白矮星了。白矮星体积大小与地球差不多,但质量却是地球的十几二十万倍,是由电子简并态物质组成的一种高致密天体。
白矮星由于体积小质量大,因此对于靠近自身的恒星等物质具有极大的引力效应,会撕裂吸附靠近的恒星或星际尘埃,这样就导致自身质量越来越大。钱德拉塞卡极限,就是专指这种白矮星的质量的上限,目前的理论是这个极限不能超过太阳质量的1.44倍。
当白矮星通过不断吸积,质量上限达到1.44倍太阳质量时,依靠电子简并态支撑的白矮星物质就再也支撑不了引力压力,游离电子被压缩到原子核里,带负电荷的电子与带正电荷的质子就中和成为电中性的中子。这种变化是瞬间发生的,极高极快的坍缩过程,就会导致超新星爆发,这种爆发就叫la型超新星爆发。
如果爆发后还能留下一个更小的天体,这个天体就是由中子组成,叫中子星。中子星是比白矮星更致密的天体,其密度每立方厘米可达10亿吨,因此其尺度很小,半径只有约10公里,一个人骑自行车无需一天,就能轻松围绕全球转一圈。
中子星的质量至少在太阳的1.44倍以上,也就是48万个地球质量以上,放在地球上只比珠峰大一点。因此,中子星是一种更为极端的天体,极其强大地引力,使靠近中子星的恒星和白矮星都会被其撕碎吞掉,其表面逃逸速度可达到光速的一半,也就是每秒15万公里的速度才有可能逃离中子星。
有人计算过,如果一个人大小的物体被中子星引力捕获,高速掉落下去,撞击的能量可达若干颗原子弹的爆炸当量。但即便是巨大的核爆能量,在中子星上也掀不起一纳米的波浪。因为中子星强大的重力将表面拉扯成比镜面还要光滑千万倍,就像《三体》小说中描述的水滴表面。
一般来说,中子星是8倍太阳质量以上的恒星死亡后留下的尸骸。这种大质量恒星在演化末期,核心的核聚变会持续到26号元素铁,然后发生大爆炸,如果没有把核心也炸成渣渣,就留下了一颗中子星。中子星是依靠中子简并态支撑着自身重力,就是中子与中子之间的斥力,这种斥力比电子之间的斥力要大很多。
中子星也有个质量上限,叫托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限,这里就不展开说了。目前的科学研究认为,中子星由于吸积,其质量达到太阳的3倍左右时,中子简并态就无法支撑这个天体了,由此坍缩成一颗黑洞。在坍缩过程中,同样会发生超新星爆发。
黑洞是宇宙中顶级极端天体,没有上限了,那里的物质已经被压缩成人类无法认知的物质了。在黑洞与中子星之间,还有没有夸克简并态物质组成的夸克星,目前在还没有发现。
恒星质量大小只与寿命和死法有关,以及死后会留下一个什么尸骸。
比太阳大30倍以上的恒星,寿命最短,只有几百万年到几亿年,死法是发生超新星爆发,死后可能留下一颗黑洞;比太阳大8倍以上的恒星,寿命一般在几亿年到十几亿年,死法也是超新星爆发,死后可能留下一颗中子星;太阳质量左右的恒星,寿命在一百亿年左右,死法是变成红巨星,外围气体不断膨胀,渐渐消散在太空,核心可能留下一颗白矮星;比太阳质量小的红矮星寿命超长,可达几百亿年到万亿年,死法是渐渐冷却成为一颗黑矮星。
说了这么多,主要就是想说明所谓钱德拉塞卡极限,完全与太阳系质量能不能达到这个上限无关。恒星比太阳大的有很多,天狼星质量就是太阳的2倍多,参宿四质量是太阳的10倍多,最大的恒星比太阳质量大一两百倍,这些与钱德拉塞卡极限毛关系都没有。
太阳的质量约为2*10^30kg,也就是约2千亿亿亿吨,这几乎就是整个太阳系的质量。因为太阳本身就占据了太阳系99.86%的质量,太阳系的所有行星、矮行星、卫星、小行星、彗星、尘埃碎片等加起来,质量也只有太阳系的0.14%。再说一遍:这些与钱德拉塞卡极限毛关系都没有!
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