恒星小傳之大質量恒星

陳若穎

我是宇宙里最重的那一類恒星——大質量恒星。同學們，你們是不是覺得太陽叔叔的質量是地球質量的33萬倍，已經算是個非常了不起的龐然大物了？其實不然，太陽在我們的恒星大家族里，只能算是一個小家伙。它的一生在我眼里平淡無奇，遠比不上我這類恒星波瀾壯闊，尤其是在生命的最終階段，我活得如夏花般絢爛！

嚴格意義上講，中年期的我們并沒有什么特殊之處，只不過因為體重至少比太陽要重8倍，所以我內部產生的引力非常巨大，燃燒得也更加劇烈，相應地，身體溫度也就更高。比如太陽的表面大約有6000攝氏度，看起來是橘黃色的。而像我們這樣的大質量恒星，中年期的表面溫度至少能夠達到2萬攝氏度，外表看起來呈藍色。

更高的體溫不僅僅影響了我們的外表，還影響了我們的內在。還記得上回說到，太陽身體里只能夠完成氫、氦的核聚變嗎？我核心區的巨大溫度和壓力，能夠讓更多元素發生核聚變反應！我們都知道，當太陽身體里的氫燃燒快要結束時，就會點燃核心區的氦，膨脹形成內部氦燃燒、外部氫燃燒的紅巨星。同樣的道理，當我身體里的燃料即將燃燒殆盡時，如果你能一刀把我對半剖開（當然，因為我的身體主要由氣體構成，所以這個操作可能只能存在于想象中），就會發現我的內部構造好像一個巨型洋蔥：從內到外有好幾個同心圓，幾乎每個同心圓里都正在進行著不同元素的核聚變反應。從最外層一路數進來，分別是氫、氦、碳、氧、硅的燃燒層和一個鐵質的核心。這個時期，我們的身體一樣會向外膨脹，變成一顆“紅超巨星”（因為向外膨脹時溫度降低，顏色會逐漸由藍變紅）。你們所熟知的參宿四、心宿二都是著名的紅超巨星。

其實按照我中年期的質量，核心區的溫度和壓力足以讓鐵或比鐵更重的原子也發生聚變反應，生成諸如金、銀等原子，但為什么我有一個鐵質核心而不是更重元素的核心呢？這是因為比鐵輕的元素的核聚變反應都是放熱反應，簡單來說，就是我能夠通過它們“發光發熱”的核聚變反應，抵抗自身質量形成的強大引力，讓身體不至于向內坍縮。但是鐵元素的核聚變不是放熱反應，而是吸熱反應，這種反應不但無法產生推力，抵抗外圍的引力，反而會加快我向內坍縮的速度。所以說，無論多么重的恒星，一旦聚變到鐵元素，就意味著它的生命開始倒計時了。

當我體內的核聚變反應達到極致時，核心區的溫度能夠高達數十億攝氏度！此時，體內巨大的溫度和壓力會讓光子以很高的能量擊穿鐵原子，反而開始了鐵原子的核裂變反應。在恒星內部充滿游離電子的情況下，鐵的核裂變反應最終會生成中子和中微子——中子在核心區聚集，而中微子帶著能量逃逸了出去。你也知道，我們恒星的質量越大，體內的“新陳代謝”越快。作為一顆大質量恒星，我體內的核裂變反應以極快的速度進行著，進而快速生成了大量中微子。這些中微子的逃逸使得我體內能量驟減，巨大的引力失去了對手，于是我的核心會快速向內坍縮，速度甚至能夠達到1萬千米/秒！這種“暴縮”讓核心區的中子緊密相挨，形成一個密度、硬度都極大的致密中子核心。

一旦外殼的核反應因為燃料不足而停止，引力會使得外層物質以更快的速度向內坍縮。坍縮時，大量快速運動的物質碰上致密的中子核心，就像是無數高速炮彈打上了一堵堅硬的鐵墻，巨大能量統統被反彈回來，甚至可以把我的外殼炸得粉碎，形成宇宙中最壯麗的“煙花”——超新星爆發。超新星爆發是我們大質量恒星一生中最絢爛的一刻，甚至能夠以一己之力照亮整個星系！部分特別明亮的超新星，你們甚至可以在白天都能清晰地看見，它會持續幾個月甚至一兩年才會慢慢暗淡下去。

超新星爆發后，我的身體同樣被分成了兩部分——外層的氣體、塵埃和一個致密的中子核心。那些身為“煙花余跡”的氣體和塵埃會繼續向外膨脹，并在未來的數百萬年里慢慢消散，變成下一代恒星成長的養料。而那個致密的中子核心，則會根據核心的質量，演化成“宇宙燈塔”中子星或“宇宙吸塵器”黑洞。想知道這中子星和黑洞又是什么東西嗎？我們下回再來一起聊聊吧！