《一路走来的宇宙 09》

相比而言，我们的太阳的一生将显得朴素而平实。虽然太阳持续发光四十六亿年了，它仍然是壮年。恒星寿命中百分之九十的时间都处在恒星内核氢燃料阶段。当内核温度低于一百亿度，氢聚变依赖质子通过量子隧穿效应穿透质子库仑排斥力形成的能量壁垒。氢聚合反应对温度非常敏感。而大质量的恒星内部温度较高一些，氢燃烧却快很多，更猛烈，氢消耗得更早。结果大质量恒星的寿命反而比较小质量恒星短。在接下来的六十亿年里，太阳会逐渐增强亮度。之后，太阳内部积攒足够的氦。氦的引力收缩提高太阳的温度，促使外层的氢燃烧加强，太阳的外层开始膨胀，成为一个红巨星。太阳的氦内核较小。氦点燃之后形成爆炸性的聚变，几分钟内转化成碳，并且产生巨大能量。太阳的内核被搅乱。这个快速过程称为氦闪。太阳接着进入冷却过程，而且整体收缩，最后稳定下来，形为一个碳内核和氦氢两个燃烧层。碳和氦可以聚合，产生少量的氧。氦和氢的燃烧让太阳温度升高。太阳重新成为一个红巨星。它的外层膨胀一百到一千倍，吞没了地球在内的所有岩石行星，还有木星。

太阳的氦燃烧层比较薄。三氦聚变需要足够的温度，又会随温度升高而加快。所以氦燃烧是悸动性的，在短时间之内消耗氢燃料，完成反应。等到一万年后，积累到足够多的量和温度时，氦又开始下一轮燃烧。每次氦燃烧会产生高温，将太阳外层的以氢为主的物质抛出去。四五次悸动反应后，太阳可能会损失百分之四十的物质。这些物质成为行星星云，最终作为下一颗恒星形成的物质来源。有神话说凤凰在火中死去，又从灰烬中复活。从这个意义上来看，恒星的生死演化正好诠释了这个浴火重生的故事。太阳的光谱显示太阳里含有很多比氢氦更重的元素，说明形成太阳的星际云物质曾经是好几代恒星演化的产物。

太阳内部的温度不足以点燃碳氧内核。引力让内核收缩。但是电子是费米子，遵循泡利不相容原理。不可能有两个电子处于同一个量子能态。两个电子相互接近时，就会有量子效应的排斥力将它们分开。由此产生的电子简并压对抗引力。最后太阳内核形成高致密的碳氧白矮星。一个太阳质量的白矮星只有地球的大小。白矮星会在漫长的岁月里慢慢散热。这应该是太阳的终结。

我们的宇宙里有各种类大小不一的恒星。一颗初始质量小于0.08太阳质量的恒星称为褐矮星。它其实只是一个气团，温度低，显得很暗淡。也许有一些氘聚变，但无法有氢燃烧。宇宙中大部分恒星的初始质量小于0.5太阳质量。它们能产生氢燃烧，但温度，辐射和光亮都比不上太阳，起初是红矮星。因为无法点燃氦聚变，红矮星不会转变成红巨星，最后在氢燃烧耗尽之后形成氦白矮星。初始质量在0.5和8太阳质量之间的恒星类似太阳。它们最终变成碳氧白矮星。如果恒星的初始质量再大些，恒星内核的碳可以燃烧，最后形成氧氖镁白矮星。对于初始质量超过10太阳质量的恒星，它们会发生II型超新星爆发，内核转化成铁。而内核质量超过1.4太质量的钱德拉塞卡极限时，电子简并压不足以对抗引力收缩。同时质子和电子合成中子，最后以中子的简并压对抗引力而形成极高致密的中子星。一颗两个太阳质量的中子星只有二十公里大小。当恒星质量超过40太阳质量，它最终在超星爆发后可能留下一个2.8太阳质量或者更重的铁内核。这时，中子简并压也抵挡不住引力的作用。内核坍缩成为黑洞。在现代的天文观测中，白矮星，中子星和黑洞都由直接和间接的方式被证实。

--写于2022年8月25日（图片来自网络）