鐵原子擁有最穩(wěn)定的原子核,是核聚變與核裂變的“終點(diǎn)”,大質(zhì)量恒星內(nèi)部的核聚變到鐵就停止了,最后在恒星中心形成一個不穩(wěn)定的鐵核,但是中小質(zhì)量恒星由于溫度太低,聚變過程根本到達(dá)不了鐵元素。
我們宇宙元素豐度最高的是氫元素和氦元素,分別是73.9%和24.0%,兩者一共占了宇宙所有元素的97.9%,在萬有引力的作用下,宇宙中大量的氫元素和氦元素聚集,最后塌縮為一顆恒星。
氫燃燒
恒星內(nèi)部擁有極高的壓力和溫度,聚變反應(yīng)當(dāng)中氫元素的聚變是最容易發(fā)生的,大約需要1000萬度的高溫,所以每一顆恒星最開始都是進(jìn)行著氫元素向氦元素的聚變,其產(chǎn)物是氦元素。
比如我們太陽就處于這個階段,該階段也稱作P-P鏈反應(yīng),此時其他核聚變反應(yīng)途徑也在進(jìn)行,但是以氫元素的聚變?yōu)橹?,氫元素的燃燒非常緩慢,比如我們的太陽將持續(xù)100億年氫元素為主的核聚變過程。
氦燃燒
當(dāng)恒星內(nèi)部溫度上升到1億度時,氦元素將發(fā)生聚變,生成更重的元素,聚變過程也更加復(fù)雜,產(chǎn)物主要以碳和氧為主,還有一些氖元素等等。
碳、氖、氧燃燒
當(dāng)恒星內(nèi)部溫度達(dá)到8億度后,碳開始燃燒;達(dá)到15億度后,氖開始燃燒,達(dá)到18億度后,氧開始燃燒;其產(chǎn)物主要是硅元素,其他還有鈣、硫等等元素。
這幾個過程的燃燒非常迅速,釋放的能量相當(dāng)巨大,于是恒星內(nèi)部的溫度急劇升高,此時恒星也將膨脹為一顆紅巨星,直徑擴(kuò)大幾十到幾百倍。
硅燃燒
對于大質(zhì)量的恒星,在演化末期溫度會變得極高,最終將引發(fā)硅元素的聚變反應(yīng),其產(chǎn)物主要是鐵,一旦恒星內(nèi)部有鐵元素生成,就意味著恒星的末期快到了,此時恒星變得極不穩(wěn)定。
聚變生成的鐵元素在大質(zhì)量恒星的內(nèi)部聚集,最終在中心形成一個巨大的鐵核心,由于鐵元素?zé)o法繼續(xù)聚變,所以恒星釋放的能量將越來越弱,在恒星強(qiáng)大的引力作用下,引力逐漸占據(jù)主導(dǎo),一旦達(dá)到臨界狀態(tài),恒星就會徹底失衡,恒星體積急劇收縮,然后發(fā)生反彈,引發(fā)超新星爆炸。
以上就是一顆恒星的演化過程,大質(zhì)量恒星會經(jīng)歷所有的過程,最終生成鐵元素;但是對于中小質(zhì)量恒星來說,其核心溫度有限,可能進(jìn)行到某步就停止了。
以我們的太陽為例,太陽屬于中等質(zhì)量恒星,目前主要進(jìn)行著氫元素的聚變,預(yù)計在55億年后,將引發(fā)氦元素的聚變,屆時太陽也將演化為一顆紅巨星,其表面也將延伸到地球軌道處,隨后太陽核心溫度無法引發(fā)碳、氖、氧的聚變,所以最終形成以碳、氖、氧為主的白矮星。
對于更小質(zhì)量的恒星,在氫元素聚變結(jié)束后,其內(nèi)部溫度甚至無法引發(fā)氦元素的大量聚變,最終形成以氦元素為主的白矮星。
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