恒星的演化2恒星的质量有上限吗？

　　转眼到了国庆节，今天（10月4日），诺奖物理学奖颁布了，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），法美奥三国物理学家瓜分了今年的物理学奖，获奖原因是他们三位科学家在量子信息学科中的贡献。这就不得不说到：诺奖 可以说是科学界最重要的奖项，能够获得诺奖本身意味着科学成就得到了学术界的一致认可。
　　法国阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）美国约翰·克劳泽（John F. Clauser） 和奥地利安东·塞林格（Anton Zeilinger）
　　因为诺贝尔奖是非常严肃的奖项，它的颁发遵循严格的＂实证程序＂。因此，许多名头响亮的科学家，并不是理论贡献不够大，而是因为理论没有得到实验的证明，所以得不到诺奖的青睐。在天文学里，这样的例子可谓比比皆是，比如通过计算提出著名的恒星质量极限＂钱德拉塞卡极限＂的钱德拉塞卡，早在1930年就计算出这个极限，当时他才19岁，大学刚毕业，是在只身前往剑桥大学读硕博的船上，打发无聊的海上时光，而计算得出的结论。但当他得到诺贝尔奖时则是在 1983年，当他从 瑞典国王手中接过诺贝尔奖章时，他已是两鬓斑白的垂垂老者，年届73岁了。这个奖足足晚到了53年！
　　1983年，73岁的印度裔美国天文学家苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡（最左侧）获得诺贝尔物理学奖
　　又比如斯蒂芬霍金博士，尽管在学术界和普通人心中都享有很高的声誉，但他研究的范畴大多集中在黑洞和宇宙本身，并且在数学上能够得到完美的验证，可是人类的实用科学很难从中找到符合逻辑的实验样本。这也是为什么霍金博士一直无法获得诺奖的原因。
　　斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking），现代最伟大的物理学家之一20世纪享有国际盛誉的科学伟人之一
　　还比如罗杰彭罗斯（Roger Penrose ），他证明时空奇（qí ）点是在1965年，他为此获得诺奖是在2020年，晚到了55年，并且，和他一起分享诺奖的是两位科学家：德国科学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez），因为他们发现了银河系中央的超大质量天体——黑洞。单就理论而言，彭罗斯在1965年的论文就严格证明： 一旦形成事件视界，在视界内必然会产生一个奇点（singularity ）。一切已知的物理理论在奇点处都会失效（奇点定理）。
　　罗杰·彭罗斯(Roger Penrose)，英国牛津大学数学物理学家，其发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测。
　　奇点是没有大小的＂几何点＂，这是很令人难于理解的。但是，令人难于理解的还有，没有大小的奇点竟然是能级无限大，奇点是一个密度无限大、 时空曲率无限高、热量无限高、体积无限小这四个无限的＂点＂，一切已知物理定律均在奇点失效。这些是同我们现有的绝大部分科学理论和观念都不相合的。宇宙大爆炸模型（我们姑且称之为模型）认为，我们的宇宙起源于一个奇点。黑洞天体的理论认为，黑洞内部，存在一个奇点。
　　从彭罗斯的获奖经历我们可以看到，奇点理论虽好，也需要黑洞的实际观测佐证。
　　诺奖的颁奖程序告诉我们，越是前沿的理论，就越是不能脱离实验的基础。
　　说完了今天的科技热点，还回到恒星演化这个主题，今天续更恒星演化的第二堂课，聊聊有没有直径一光年的恒星这个脑洞大开的问题，也就是说恒星体积上限和质量上限的问题。
　　先说恒星的体积上限问题，大体积的恒星出现在部分恒星的晚年，体积膨胀成红超巨星，万有引力告诉我们，引力和距离的平方成反比，因此随着体积的膨胀，恒星表层的引力迅速减小，外层气体达到逃逸速度就会摆脱恒星的引力束缚而弥散到太空中，成为星云。因此恒星的体积有上限，这不需要很高深的知识，比较好理解。
　　再说恒星的质量有无上限这个问题。
　　上一篇提到： 质量是恒星最重要的物理量 。 质量决定了恒星的一生 。恒星在主星序停留的时间取决于质量。恒星的演化最后结局，也取决于质量。
　　比如我们的太阳，在宇宙中，是一颗中小质量的恒星，在天文学的分类里，它属于黄矮星（Yellow Dwarf）。
　　对于生命演化而言，黄矮星无疑是最合适的恒星了，黄矮星的寿命可达百亿年，而大质量恒星个个都是短命鬼，如蓝超巨星的寿命只有几百万年。另外，黄矮星的一大好处是氢核聚变很稳定，恒星质量越大，核心温度越高，核聚变就越剧烈，无论是向外辐射高能粒子高能射线，还是向外抛射外层物质，都会毁灭行星上的一切生命形式。红矮星质量小，核心聚变就很温和，但是，行星离它远了受到的辐射热量不够，离它近了也不好，不但会被它潮汐锁定，它的恒星风还会剥离行星的大气层，耀斑爆发，也足以毁灭行星上的一切生命形式。
　　恒星的质量有上限叫爱丁顿极限，这是科普的说法，严格的说法是＂自然界密实物体的 发光强度＂有极限。爱丁顿爵士的最大科学贡献就是对 恒星结构的研究，他最早提出恒星是靠辐射，而非以前所认为的对流，氢核聚变产生向外的辐射压，抵抗恒星自身的向核心坍缩的万有引力，从而维持星体的结构平衡。
　　在恒星的内部结构中，他首创地提出了恒星内部是高温的等离子气体，可以视为处于流体力学平衡状态的理想气体，也就是前面说到的向外辐射压=向内的万有引力。
　　爱丁顿爵士的第三个贡献是解释了恒星的能量来源，他第一个提出来自于恒星内部的核聚变。
　　爱丁顿爵士的第四个贡献，是他首次全面地总结出了恒星的质量和发光度之间的关系。这一关系提出于1924年，他指出，一个星体所拥有的质量越大，就能发出越多的光。这一结论的价值在于，如果一颗恒星的固有亮度已知，就可根据此亮度确定它的质量。
　　在上述研究成果基础上，爱丁顿爵士提出了恒星光度极限被称为＂爱丁顿极限＂，也可以理解为恒星的质量有个上限。这个理论是说，恒星的质量越大，内核温度越高，内核聚变就越剧烈，向外的辐射压力也越大，辐射压转为恒星外层气体的动能，外层气体获得足够动能，达到了＂逃逸速度＂，就能摆脱恒星万有引力的束缚，而被恒星高速向太空＂抛出＂，也就是恒星越不稳定，越容易损失质量。
　　英国天体物理学家，数学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿（Arthur Stanley Eddington）爵士，恒星结构研究之父
　　爱丁顿极限告诉我们，恒星质量越大，内核核聚变越剧烈，恒星向外抛射物质越多。恒星质量损失越快。这也反过来告诉我们，恒星质量必然有个上限。
　　超大质量恒星，目前天文学家一共只发现了几百颗，其中银河系发现了大约200颗，大麦哲伦星系（习惯上，我们仍按过去的传统，俗称为大麦哲伦星云）发现了100多颗。这类恒星稀少的主要原因是它们的寿命实在太短了，短到只有几百万年，这在宇宙中，只是很短的一瞬。
　　不过，因为这类恒星的存在，为生命提供了各种各样的重元素，当它们超新星爆发时，就将各类重元素散播到宇宙空间中。构建起地球这样的星球和人类这样的生命。
　　天文学家人为，目前发现的质量最大的恒星BAT99-98，质量第二大的恒星R136a1，每10万年至少损失一个太阳质量。自诞生后都至少已经抛出了数十个太阳质量。它们内部剧烈的核聚变反应所产生的高辐射压力驱动了强大的恒星风，风速高达1600公里/秒，如果地球在它附近的话，恒星风能把地球都蒸发得丝毫不剩。
　　目前已知质量最大的恒星是位于LMC的 BAT99-98 ，质量226M⊙，半径为38R⊙，体积为太阳的5.5万倍，光度是太阳的500万倍，但它的辐射大部分是紫外线，在可见光上，它的光度是太阳的14.1万倍。表面温度超过5万K。
　　目前已知质量最大的恒星BAT99-98，位于大麦哲伦星系的蜘蛛星云，为226倍太阳质量
　　目前已知第二大恒星是R136a1（BAT99-108），也位于大麦哲伦星系的蜘蛛星云中，质量215M⊙，半径为28.8-35.4R⊙。再小再大的恒星几乎不存在，这是因为天体质量小于太阳的8%，核心温度和压力启动不了核聚变，天体就无法发光。
　　目前已知质量第二大的恒星R136a1，位在大麦哲伦星系的蜘蛛星云中，为215倍太阳质量
　　BAT99-98和R136a1都属于短命鬼，剩下内部极高温的氦核、碳核，最终当恒星物质损失到一定程度的时候，就可能直接坍缩成黑洞。
　　R136a1和其附近的恒星组成了一个高密度的星团，叫R136星团。著名的R136a1质量巨大，但是它的体积也非常大，直径相当于太阳的32.4倍，体积则相当于太阳的3.3万倍左右，也就是密度还没有太阳大。预计寿命不会超过300万年。
　　蜘蛛星云（ Cosmic Tarantula ）直径达652——1858.2光年。总质量达100万个M⊙。
　　蜘蛛星云位于大麦哲伦星系中，直径达1858光年，总质量大约为100万M⊙，一个巨大的气体诞生大量大质量的恒星
　　狼蛛星云本名剑鱼座30（ 30 Doradus ），因其内部布满了尘埃构成的细丝，类似于蜘蛛的腿，因而得名。它位于大麦哲伦星云内，是个巨大的恒星＂育儿园＂。 这个星云位于16.1万光年之外，是离我们银河系最近的＂本星系群＂（Local Group）中最大、最亮的恒星形成区域。它也是已知最热、最大质量恒星的所在地。
　　由于化学成分与几十亿年前宇宙恒星诞生高峰期，也就是所谓＂宇宙正午＂时的恒星形成区域相似，再加上距离地球相对较近，因此是天文学家极感兴趣的研究对象。
　　由于狼蛛星云隐藏在厚厚的尘埃下，人们一直难以对其进行观测。现在，韦伯太空望远镜的高分辨率红外探测仪器，首次使该星云内数以千计的年轻恒星、遥远的背景星系以及气体和尘埃结构细节＂现身＂。
　　此外，借由韦伯拍摄的图像，科学家还发现狼蛛星云中心的空洞，其实是被一群大质量年轻恒星产生的强大辐射所＂掏空＂的。
　　詹姆斯‧韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope）的近红外相机（NIRCam）观察它就像一只穴居狼蛛的家
　　恒星在图像中闪耀着淡蓝色的光芒。只有稠密的星云周围区域能够抵御这些恒星强大的恒星风的侵蚀，形成看似指向星团的柱子。
　　美国宇航局NASA解释说，＂这些柱子包含着正在形成的原恒星，它们最终将从它们的尘埃茧中出来，并依次形成星云。＂
　　当用韦伯的中红外仪器（MIRI）来观察这一区域时，就出现一幅不同的画面：炽热的恒星逐渐消失，而较冷的气体和尘埃则在发光。因为较短波长的光被星云中的尘埃颗粒吸收或散射，因此无法被韦伯观察到，但较长的中红外波长却能穿透这些尘埃，最终揭示出一个前所未见的宇宙环境。
　　蜘蛛星云中还发现了一个9个M⊙的黑洞，并有一个25个M⊙的伴星。
　　蜘蛛星云最为独一无二的地方是，科学家观测到的质量前十大恒星，统统都出自蜘蛛星云。
　　1、BAT99-98，质量226M⊙；
　　2、R136a1，质量215M⊙；
　　3、R136a7，质量199M⊙；
　　4、梅尔尼克42，189M⊙；
　　5、R136a2，187M⊙；
　　6、VFTS 1022（待证实），178M⊙；
　　7、R136a5，171M⊙；
　　8、R136a4，167M⊙；
　　9、HSH95-46（有待证实），160M⊙；
　　10、R136a3，154M⊙；
　　这只是目前人类已知的恒星质量的TOP10，恒星质量的数据，受计算方法或观测技术的影响，今后也会不断修正。
　　国庆节快乐！