牧夫天文|来也匆匆，去也匆匆——大质量恒星昙花一现式的消亡史

_本文原题：来也匆匆，去也匆匆——大质量恒星昙花一现式的消亡史
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作者：王启儒
校对：牧夫天文校对组
后期：库特莉亚芙卡李子琦

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哈勃空间望远镜拍摄的超新星遗迹
Credit:ESA/Hubble & NASA, R. Sahai
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终于，我们的恒星系列故事讲到了大质量恒星。由于其硕大的体积，导致大质量恒星在演化周期上远远小于质量比他低的多的那些恒星。快速的演化过程末尾，是一场星空独有的"烟火"表演......

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X射线下的螺旋星云
Credit：NASA/CXC
消亡的第一阶段——红超巨星
大质量恒星的演化比小质量恒星的演化要快得多。恒星的质量越大，它对燃料的消耗就越贪婪，在主序上停留的时间也就越短。太阳在主序上所花的时间约100亿年，而10倍太阳质量的恒星只会在主序上停留2000万年左右的时间。在脱离演化的过程中，之前内核中氢聚变燃烧，形成一个不燃烧的、坍缩的氦内核，一个氢燃烧的壳层环绕着它。这一切都与类太阳恒星一致，但大质量恒星内核氢与氦的燃烧产生的气体压力足以使其变成体积比巨星还要大的红超巨星。
参宿四（Betelgeuse, α Orionis），一颗处于猎户座的红超巨星，质量是太阳的11.6倍，距离地球724光年，表面温度3590开尔文，是全天除太阳外第十二亮的恒星，也是人类首度能够解析出表面大小的恒星。如今的它已经走到了生命末期，预计在未来的数百万年中，将演化为II型超新星。
从ESO的想像图可以看出，参宿四大气掀起的气泡延伸范围相当于从太阳一直到海王星外，约是光在真空中行进4.85至5.5小时的距离
Credit: Wikipedia
消亡的第二阶段——氖闪或葱头结构
8~13倍太阳质量的恒星被称为准大质量恒星，演化过程中，随着恒星内核的不断收缩，中心温度不断地升高，引发了碳核聚变，而碳正常燃烧后形成氧——氖——镁星核。氢燃烧壳之内的质量积累至1.375倍太阳质量时，电子俘获开始发生。核开始吸收中微子放出正电子和中子，此过程被称为逆β衰变，形成了富中子核。自由电子的减少使电子简并压强削弱，于是星核开始猛烈收缩，强大的压强产生的高温促使氧开始点火，并激起爆燃。爆燃把物质组分烧成核统计平衡的丰度。因为对流引起的爆燃波前传播速度很慢，所以形成的爆燃波几乎是稳定的。一旦爆燃波内的质量超过钱德拉塞卡极限，加上电子俘获在削弱简并压强，最终星核要坍缩。 10~12倍太阳质量的恒星，在碳燃烧后形成的简并氧——氖——镁星核，其质量是太阳的1.37~1.50倍，因而氖会被点燃，继而引发氖闪。
13~100倍太阳质量的恒星被称为大质量恒星，其前半段演化过程与准大质量恒星类似，直至氖开始燃烧，中微子强烈的冷却作用促进了简并，将下一级点火推迟，并将中心燃烧阶段出现对流的倾向削弱。随着反应的进行，大质量恒星中心会发展起一个约1.4倍太阳质量的铁核，当铁核形成后，恒星核心不再进行新的核反应。此时恒星内部形成葱头结构（越重的元素越接近中心）。

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大质量恒星内核反应过程
Credit: NASA
临终前最后的绽放——超新星遗迹
大质量恒星通过极为强劲的聚变反应以及其内核收缩引起的极高温度使得铁核被聚变生成，当铁核形成后（因为铁是最稳定的元素），恒星的核心将不再进行新的核反应。由于没有核反应进行，铁核内的气体和辐射压强无法抗衡引力，开始坍缩。在很短的时间内，铁核坍缩到几十千米大小，密度急剧升高。原子核解离为质子和中子，质子进一步衰变为中子，形成简并中子星。外部下落的物质高速撞击在中子星上，形成反弹激波。在此过程中产生大量的中微子，它们在向外运动时推动激波向外扩张。分页标题
刚刚描述的事件不会花很长的时间，从坍缩开始到核密度“反弹”大概只有1秒。在这一时刻，核心区再次膨胀，一股巨大的能量冲击波将高速横扫恒星，把上面所有的分层炸裂到太空中（包括中心铁核外刚形成的所有重元素）。在几天的时间内，爆发的恒星的亮度可以与它所在的星系相匹敌。大质量恒星的这种壮烈的死前撼响被称作“核坍缩超新星” 。爆发时抛出的物质在向外膨胀的过程中与星际介质相互作用而形成的延展天体被称作“超新星遗迹” 。
M1（蟹状星云）是位于金牛座ζ星东北面的一颗超新星遗迹，视星等8.4等，距离地球6500光年，并以每秒约1500千米的速度膨胀。天文学家将M1看成是宇宙中最稳定的高能辐射源之一，并将其作为一种标准来测量宇宙其他辐射源的能量。

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混合了哈勃太空望远镜的光学数据（红）与钱德拉X射线天文台的X射线图像（蓝）
Credit：Wikipedia
路的尽头——中子星或黑洞
大质量恒星向内迅速坍缩的瞬间，恒星核心的电子猛烈地撞入质子，形成中子和中微子。中微子以光速（或接近光速）离开诞生地，这加速了中子核心的坍缩，直到中子相互接触。此刻，核心的中央部分向外反弹，形成强大的冲击波。而冲击波并非始于坍缩核心的正中央，虽然冲击波摧毁了恒星的其他部分，但发生“反弹”的核心内部仍完好无损，它被天文学家冠以“中子星”的名号，尽管它算不上任何真正意义上的恒星。中子星主要由中子组成，密度惊人，可以看成一个巨型的原子核。中子星内部中子处于超流和简并状态，在中子星内部支撑星体与引力抗衡的是中子简并压力。中子星典型质量是太阳的1.4倍，半径10km 。与白矮星类似，中子星的质量越大，半径越小，其质量上限在太阳了2~3倍。关于中子星的核心物态，目前仍没有确切的定论。
绝大多数天文学家认为——中子星的质量一旦超过3倍太阳质量，且在留下了足够多的物质的条件下，引力将会在同压力的竞争中获胜，恒星的中心核会一直坍缩下去。随着恒星核的坍缩，它周围的引力最终变得巨大无比，甚至连光都无法逃逸出去。最终形成的不发光、没有辐射、也没有任何信息的天体被称为“黑洞” 。与此同时，大质量的内核遗迹将向内坍缩，并永远消失。

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中子星结构
以上便是不同质量的恒星从其诞生、演化再到消亡的全过程。回顾三篇推文，我们可以发现恒星们的一生与地球上生物的历程是那样得相似。但不同的是，绝大多数恒星的消亡会是下一轮回的恒星或行星乃至生命体的诞生的基础。
参考材料：
[1]王有芬;邵正义.褐矮星的观测特征和搜寻.天文学进展.2013年(01):19-38
[2]王红岩.大质量中子星可包含超子.吉林大学学报(理学版).2020年(03):236-240
[3] 徐兰平.恒星的主序后演化.天文学进展.1989年(04):50-58
[4] 高扬;肖婷.星系中分子气体与恒星形成的研究进展.天文学进展.2020年(02):4-21
作者简介：
王启儒，山东烟台人，材料物理专业
大学本科在读，天文爱好者，科普创作者
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欢快游曳的太阳黑子
【牧夫天文|来也匆匆，去也匆匆——大质量恒星昙花一现式的消亡史】Credits: NASA, ESA and J. Kastner (RIT)
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