【腦洞】宇宙中存在直徑達到1光年的星球嗎?

天空之城 2022/07/01 檢舉 我要評論

宇宙中存在直徑達到1光年的星球嗎?對于這個問題,一個比較常見的思路就是,只要物質足夠多,形成直徑達到1光年的星球也不是不可能,然而根據我們已知的宇宙規律,這樣的事情卻根本就不可能發生。

所謂的星球,是指由宇宙中的各種物質形成的大型球狀天體,引力則是維系星球穩定的力量之一,然而引力除了能夠讓構成星球的各種物質聚集在一起之外,還會讓星球在整體上具備向內收縮的趨勢,如果星球內部沒有足夠強的力量來抵擋引力,那麼星球的體積就會發生收縮,這也被稱為引力坍縮。

因為引力的大小與質量成正比,并且還是只有「吸引力」而沒有「排斥力」的長程力,所以一個星球的質量越大,其因為引力而向內收縮的趨勢就越強,它就需要更強的力量來抵擋引力,否則的話就會發生引力坍縮,無法保持自身的穩定。

在已知的宇宙中,星球內部能夠抵擋引力的最強大的力量就是核聚變,如果一個星球的內部沒有核聚變,那麼當它的質量超過了「奧本海默極限」(一般認為是3.2個太陽質量)之后,就沒有任何力量可以阻止其自身的引力坍縮,在這種情況下,它最終會演化成一個黑洞,我們也就不能將其稱為「星球」了。

正是因為如此,宇宙中的那些質量超過了「奧本海默極限」的星球,無一例外地都是「熊熊燃燒」的恒星,在這些星球的內部存在著兩種強大的力量,一種是引力,其方向是向內,另一種則是星球內部的核聚變所釋放出的能量,其方向是向外,為方便描述,我們可以將其稱為「輻射壓」。

恒星內部之所以會發生核聚變,其實是因為恒星的引力坍縮在其核心造成了高溫高壓環境,一顆恒星的質量越大,其因為引力而向內收縮的趨勢就越強,它核心的溫度和壓強也就越高,相應的,恒星內部的核聚變反應就越激烈,其產生的「輻射壓」也就越強。

對于一顆穩定存在的恒星來講,其內部的這兩種力量其實是保持著一種動態的平衡,具體表現為,引力強了,恒星就會收縮,恒星收縮了,其核心的溫度和壓強就會提高,于是核聚變反應就更激烈,從而產生更強的「輻射壓」,然后恒星就會膨脹,恒星膨脹了,其核心的溫度和壓強就會降低,核聚變反應就會減弱,于是引力再次占據上風,然后恒星又會收縮,如此反復。

順便講一下,由于核聚變的反應速率對溫度的變化非常敏感,因此像太陽這樣的處于主序星階段的恒星的體積變化非常細微,以至于我們幾乎無法觀測到。

核聚變的能量源自原子核內的強核力,這是宇宙中四種基本力中最強的一種,相比之下,引力卻是最弱的一種,因此 隨著恒星質量的增加,引力和「輻射壓」并不是一一對應的關系,當恒星的質量超過了一個被稱為「愛丁頓極限」臨界值的時候,恒星內部的「輻射壓」就會超過引力

在這種情況下,多出來的「輻射壓」就會不斷地「吹」走恒星外層的一部分物質,從而使恒星的質量持續降低,而隨著恒星質量的不斷降低,恒星的核聚變反應就會跟著減弱,「輻射壓」也就會逐漸變小,當其與引力達到新的平衡之后,恒星也就不會再損失質量了。

這就意味著,恒星的質量并不能無限地增長,最多也就只能達到「愛丁頓極限」,如此超過了這個臨界值,它很快就會把多出來的物質「噴」出去。

綜上所述可以得出, 宇宙中最大的星球只可能是恒星,而一顆穩定恒星的質量最多只能達到「愛丁頓極限」。至于「愛丁頓極限」的數值,其實取決于恒星的具體內部條件,從理論上來講,最多也就是幾百個太陽質量。

好的,現在我們再來看看1個直徑為1光年的星球,其質量會有多大。

眾所周知,一個星球的質量等于它的體積與平均密度的乘積,現在體積確定了,我們還需要給它設定一個平均密度,在同等質量下,平均密度越小的星球,其體積就越大,所以這個密度當然是越小越好,但也不能小得太離譜,畢竟密度太小了就不能形成星球了。

在盾牌座方向距離我們大約2萬光年的位置上,有一顆被稱為「史蒂文森2-18」的紅特超巨星,它是已知體積最大的恒星,其體積大約是太陽的100億倍,而質量卻只有太陽的12到16倍,也就是說,它的最低估算密度大概只有太陽密度的0.0000000012倍。

在已知的所有星球中,這種密度都算得上是最低水平,所以我們不妨就以此作為參考,按這種密度來計算的話,1個直徑為1光年的星球,其質量可以高達太陽質量的3767億倍,可以看到,這遠遠地超出了「愛丁頓極限」,正是因為如此,我們才可以確定宇宙中不可能存在直徑達到1光年的星球。

搶先看最新趣聞請贊下面專頁

用戶評論