题目

恒星的能量用完了会变成什么?

提问时间：2021-03-14

答案

主序星
恒星以内部氢核聚变为主要能源的发展阶段就是恒星的主序阶段.处于主序阶段的恒星称为主序星.主序阶段是恒星的青壮年期,恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上.这是一个相对稳定的阶段,向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡,恒星基本上不收缩也不膨胀.恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多.质量越大,光度越大,能量消耗也越快,停留在主序阶段的时间就越短.例如：质量等于太阳质量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星,处于主序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百亿年和一万亿年.
目前的太阳也是一颗主序星.太阳现在的年龄为46亿多年,它的主序阶段已过去了约一半的时间,还要50亿年才会转到另一个演化阶段.与其他恒星相比,太阳的质量、温度和光度都大概居中,是一颗相当典型的主序星.主序星的很多性质可以从研究太阳得出,恒星研究的某些结果也可以用来了解太阳的某些性质.
红巨星与红超巨星
当恒星中心区的氢消耗殆尽形成由氦构成的核球之后,氢聚变的热核反应就无法在中心区继续.这时引力重压没有辐射压来平衡,星体中心区就要被压缩,温度会急剧上升.中心氦核球温度升高后使紧贴它的那一层氢氦混合气体受热达到引发氢聚变的温度,热核反应重新开始.如此氦球逐渐增大,氢燃烧层也跟着向外扩展,使星体外层物质受热膨胀起来向红巨星或红超巨星转化.转化期间,氢燃烧层产生的能量可能比主序星时期还要多,但星体表面温度不仅不升高反而会下降.其原因在于：外层膨胀后受到的内聚引力减小,即使温度降低,其膨胀压力仍然可抗衡或超过引力,此时星体半径和表面积增大的程度超过产能率的增长,因此总光度虽可能增长,表面温度却会下降.质量高于4倍太阳质量的大恒星在氦核外重新引发氢聚变时,核外放出来的能量未明显增加,但半径却增大了好多倍,因此表面温度由几万开降到三、四千开,成为红超巨星.质量低于4倍太阳质量的中小恒星进入红巨星阶段时表面温度下降,光度却急剧增加,这是因为它们外层膨胀所耗费的能量较少而产能较多.
预计太阳在红巨星阶段将大约停留10亿年时间,光度将升高到今天的好几十倍.到那时侯,地面的温度将升高到今天的两三倍,北温带夏季最高温度将接近100℃.
大质量恒星的死亡
大质量恒星经过一系列核反应后,形成重元素在内、轻元素在外的洋葱状结构,其核心主要由铁核构成.此后的核反应无法提供恒星的能源,铁核开始向内坍塌,而外层星体则被炸裂向外抛射.爆发时光度可能突增到太阳光度的上百亿倍,甚至达到整个银河系的总光度,这种爆发叫做超新星爆发.超新星爆发后,恒星的外层解体为向外膨胀的星云,中心遗留一颗高密天体.
金牛座里著名的蟹状星云就是公元1054年超新星爆发的遗迹.超新星爆发的时间虽短不及1秒,瞬时温度却高达万亿K,其影响更是巨大.超新星爆发对于星际物质的化学成分有关键影响,这些物质又是建造下一代恒星的原材料.
超新星爆发时,爆发与坍塌同时进行,坍塌作用使核心处的物质压缩得更为密实.理论分析证明,电子简并态不足以抗住大坍塌和大爆炸的异常高压,处在这么巨大压力下的物质,电子都被挤压到与质子结合成为中子简并态,密度达到10亿吨/立方厘米.由这种物质构成的天体叫做中子星.一颗与太阳质量相同的中子星半径只有大约10千米.
从理论上推算,中子星也有质量上限,最大不能超过大约3倍太阳质量.如果在超新星爆发后核心剩余物质还超过大约3倍太阳质量,中子简并态也抗不住所受的压力,只能继续坍缩下去.最后这团物质收缩到很小的时候,在它附近的引力就大到足以使运动最快的光子也无法摆脱它的束缚.因为光速是现知任何物质运动速度的极限,连光子都无法摆脱的天体必然能束缚住任何物质,所以这个天体不可能向外界发出任何信息,而且外界对它探测所用的任何媒介包括光子在内,一贴近它就不可避免地被它吸进去.它本身不发光并吞下包括辐射在内的一切物质,就象一个漆黑的无底洞,所以这种特殊的天体就被称为黑洞.黑洞有很多奇特的性质,对黑洞的研究在当代天文学及物理学中有重大的意义.