太阳的质量约为地球的33万倍,体积是地球的大约130万倍,对于我们地球人来讲,太阳无疑是一个极为庞大的存在。
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但在宇宙众多恒星中,太阳其实并不算大,那么,恒星可以无限大吗?宇宙中最大的恒星比太阳大多少呢?下面我们就来聊一下这个话题。
从理论上来讲,恒星的质量和体积都不可能无限大,我们先来说一下恒星的质量。
在恒星内部,存在着两种力量的较量,一种是恒星自身的引力,其方向是向内,它会“压缩”恒星,让其体积变小,另一种则是恒星核心的核聚变释放出的能量所产生的辐射压,其方向是向外,它会把恒星的体积“撑”大,当这两种力量达成平衡时,恒星就会稳定下来。
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恒星的质量越大,其自身的引力就越强,在其强力“压缩”下,恒星的体积就会更小,但恒星的体积更小了,其核心的温度就更高,进而使核聚变反应更激烈,辐射压也就更大。
由于核聚变的反应速率对温度高度敏感(温度增加一点点,其反应速度就会迅速增强),因此当恒星的质量增加一定程度时,其内部的辐射压就会超过引力,在这种情况下,辐射压就会将恒星的外层物质不断地“吹”走,从而使恒星的质量变小。
所以恒星的质量不可能无限大,而是有一个上限,这也被称为“爱丁顿极限”(Eddington limit)。
从理论上来讲,“爱丁顿极限”应该在太阳质量的150倍至200倍之间,如果恒星的质量超过了这个上限,它就会变得很不稳定,并因为其内部强大的辐射压而迅速损失质量,直到其质量降到“爱丁顿极限”之内,它才会稳定下来。
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目前的观测数据显示,已知宇宙中质量最大的恒星,应该是位于大麦哲伦星系中的“R136a1”,根据科学家的估算,其质量大约在170至230倍太阳质量之间,它也被认为是已知宇宙中最亮的恒星,其光度大约是太阳的724万倍。
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好的,现在我们再来说一下恒星的体积。如果你认为质量最大的恒星其体积也就最大,那你就错了。
实际上,“R136a1”的半径“只有”太阳的40倍左右,而宇宙中那些“红超巨星”的半径,却可以轻松达到太阳半径的1000倍以上,它们也因此被认为是已知宇宙中体积最大的恒星类型。
“红超巨星”是宇宙中的一些恒星演化到生命末期时所呈现的形态,由于这些恒星的质量相对较大,其内部的核聚变也很强,其释放出的能量就可以在恒星内部形成一个强大的辐射层,这会阻止外层物质进入恒星的核心反应区。
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所以在它们的主序星阶段,只会消耗其核心反应区的氢,在这里,氢会不断地聚变成氦,当其消耗殆尽之后,恒星内部就失去了辐射压,于是恒星就会在引力的作用下收缩,其核心的温度也会不断提升。
当温度上升到一定程度时,那些位于核心外侧的原本没有参与核聚变的氢,也会开始大量地发生核聚变,这通常被称为“氢壳层燃烧”,由于参与反应的氢远多于之前的核心聚变阶段,其释放出的能量也就大得多。
于是在强大能量的推动下,恒星体积会大幅膨胀,其表面温度随之下降,辐射功率密度减弱,呈现出偏红的颜色,从而演化成一颗“红超巨星”。
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从理论上来讲,只有质量处于一个特定范围内的恒星,才有可能在其生命末期演化成“红超巨星”,因为如果质量小了,其内部的能量就不能让恒星膨胀得足够大,如果质量大了,其内部的能量又会太强,以至于会将恒星的外层物质直接“吹散”。
目前普遍认为,这个质量范围应该是太阳质量的8至25倍,而根据相关理论的估算,当这种质量的恒星演化成“红超巨星”时,其半径上限大约是太阳半径的1500至2500倍。
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实际上,在盾牌座方向,距离我们大约2万光年的位置上,就有一个体积极为庞大的“红超巨星”——“史蒂文森2-18”(Stevenson 2-18)。观测数据表明,其半径约为太阳的2158倍,体积大概是太阳的100亿倍,它也因此被普遍认为是已知宇宙中体积最大的恒星。
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尽管“史蒂文森2-18”的体积大得令人吃惊,但其质量却大概“只有”太阳的12至16倍,考虑到恒星在“超红巨星”阶段会流失大量的质量(上限约为10倍太阳质量),因此可以合理地认为,它的初始质量已经达到理论上的极限了。
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