鐵心災變

大質量恆星(質量大於十倍太陽質量,下同),燃燒速度非常快,在原始恆星形成,氫聚變開始後,只需百萬年的時間,氫便燃燒完了。而0.5倍太陽質量的恆星,則可以燃燒近1000億年。

恆星初期,內部中心的氫在高溫高壓的情況下,率先點燃(氫的起始聚變溫度只有幾百萬度),通過碳氮循環進行核聚變向外輻射能量(小質量恆星以質子—質子鏈反應為主)。
恆星物質的燃燒,是由低燃點物質向高燃點物質逐步遞進。氫燃燒完以後,在恆星中心形成一個以氦為主的緻密蒸汽球,它便要引力收縮,這是一個起關鍵作用的因素。一個核燃燒階段的結束,表明恆星內各處溫度都已低於在該處引起點火所需要的溫度,引力收縮將使恆星內各處的溫度升高,這實際上是尋找下一次核點火所需要的溫度,在溫度進一步升高,壓力進一步增大以後,氦聚變開始(它的聚變溫度將是1億度)。氦聚變為碳,當中心形成碳和氧球後,碳和氧又聚變為矽……以此類推,物質從低質量物質不斷聚變為高質量物質,這些反應一個比一個推進的快,最後,當一顆大質量恆星進入演化末期,中心區域完全被鐵蒸汽取代以後,整個恆星內部,物質分布便形成一層一層同心圓的模式:最裡面是鐵,最外面是原始氫氦的混合物。
恆星之所以能維持平衡,既不因自身巨大的引力而無限的坍縮,也不會因巨大的的對電漿的輻射壓而分崩離析,就是因為引力和輻射壓的平衡:當電漿被重力拉著超越了平衡點後,內部溫度隨之升高,單個光子所攜帶的能量增加,於是輻射壓增加,又將電漿推開;當電漿物質膨脹遠離平衡點後,輻射壓降低,重力反過來占了上風。
但當大質量恆星的中心成為鐵核心後,問題出來了:鐵不會在聚變中產能,這就減弱了輻射壓,而且鐵原子核將會捕捉被高溫電離的自由電子,俘獲電子後的鐵核心變成了對於輻射幾乎透明的氣體,核心的輻射壓迅速減弱。於是鐵核心因引力占上風收縮。於是,在鐵核心的迅速收縮下,當鐵核心質量超過了1.44倍的太陽質量後(錢德拉塞卡極限質量),鐵核心將因超強的引力而坍縮,核心內的物質之密,使得質子和電子都被壓到一起形成中子,成為一顆中子星,而在遠遠不及一秒鐘的時間內,這一過程將釋放出極為大量的能量(它的威力超過了引力收縮),從而導致超新星爆發,拋出外層鬆散熾熱的物質。這樣,一顆大質量恆星就以中子星為結局,完成了它的生命旅程。不過,當這顆大質量恆星足夠大,它剩餘的質量足夠多,就會導致另一種天體的誕生——黑洞
超新星SN2006gy,150個太陽質量超新星SN2006gy,150個太陽質量

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