牧夫天文|来也匆匆，去也匆匆——大质量恒星昙花一现式的消亡史
北京联盟_本文原题：来也匆匆 ， 去也匆匆——大质量恒星昙花一现式的消亡史
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作者：王启儒
校对：牧夫天文校对组
后期：库特莉亚芙卡 李子琦
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哈勃空间望远镜拍摄的超新星遗迹
Credit:ESA/Hubble & NASA, R. Sahai
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终于 ， 我们的恒星系列故事讲到了大质量恒星 。 由于其硕大的体积 ， 导致大质量恒星在演化周期上远远小于质量比他低的多的那些恒星 。 快速的演化过程末尾 ， 是一场星空独有的"烟火"表演......
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X射线下的螺旋星云
Credit：NASA/CXC
消亡的第一阶段——红超巨星
大质量恒星的演化比小质量恒星的演化要快得多 。 恒星的质量越大 ， 它对燃料的消耗就越贪婪 ， 在主序上停留的时间也就越短 。 太阳在主序上所花的时间约100亿年 ， 而10倍太阳质量的恒星只会在主序上停留2000万年左右的时间 。 在脱离演化的过程中 ， 之前内核中氢聚变燃烧 ， 形成一个不燃烧的、坍缩的氦内核 ， 一个氢燃烧的壳层环绕着它 。 这一切都与类太阳恒星一致 ， 但大质量恒星内核氢与氦的燃烧产生的气体压力足以使其变成体积比巨星还要大的红超巨星 。
参宿四（Betelgeuse, α Orionis） ， 一颗处于猎户座的红超巨星 ， 质量是太阳的11.6倍 ， 距离地球724光年 ， 表面温度3590开尔文 ， 是全天除太阳外第十二亮的恒星 ， 也是人类首度能够解析出表面大小的恒星 。 如今的它已经走到了生命末期 ， 预计在未来的数百万年中 ， 将演化为II型超新星 。
从ESO的想像图可以看出 ， 参宿四大气掀起的气泡延伸范围相当于从太阳一直到海王星外 ， 约是光在真空中行进4.85至5.5小时的距离
Credit: Wikipedia
消亡的第二阶段——氖闪或葱头结构
8~13倍太阳质量的恒星被称为准大质量恒星 ， 演化过程中 ， 随着恒星内核的不断收缩 ， 中心温度不断地升高 ， 引发了碳核聚变 ， 而碳正常燃烧后形成氧——氖——镁星核 。 氢燃烧壳之内的质量积累至1.375倍太阳质量时 ， 电子俘获开始发生 。 核开始吸收中微子放出正电子和中子 ， 此过程被称为逆β衰变 ， 形成了富中子核 。 自由电子的减少使电子简并压强削弱 ， 于是星核开始猛烈收缩 ， 强大的压强产生的高温促使氧开始点火 ， 并激起爆燃 。 爆燃把物质组分烧成核统计平衡的丰度 。 因为对流引起的爆燃波前传播速度很慢 ， 所以形成的爆燃波几乎是稳定的 。 一旦爆燃波内的质量超过钱德拉塞卡极限 ， 加上电子俘获在削弱简并压强 ， 最终星核要坍缩 。 10~12倍太阳质量的恒星 ， 在碳燃烧后形成的简并氧——氖——镁星核 ， 其质量是太阳的1.37~1.50倍 ， 因而氖会被点燃 ， 继而引发氖闪 。
13~100倍太阳质量的恒星被称为大质量恒星 ， 其前半段演化过程与准大质量恒星类似 ， 直至氖开始燃烧 ， 中微子强烈的冷却作用促进了简并 ， 将下一级点火推迟 ， 并将中心燃烧阶段出现对流的倾向削弱 。 随着反应的进行 ， 大质量恒星中心会发展起一个约1.4倍太阳质量的铁核 ， 当铁核形成后 ， 恒星核心不再进行新的核反应 。 此时恒星内部形成葱头结构（越重的元素越接近中心） 。
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大质量恒星内核反应过程
Credit: NASA
临终前最后的绽放——超新星遗迹
大质量恒星通过极为强劲的聚变反应以及其内核收缩引起的极高温度使得铁核被聚变生成 ， 当铁核形成后（因为铁是最稳定的元素） ， 恒星的核心将不再进行新的核反应 。 由于没有核反应进行 ， 铁核内的气体和辐射压强无法抗衡引力 ， 开始坍缩 。 在很短的时间内 ， 铁核坍缩到几十千米大小 ， 密度急剧升高 。 原子核解离为质子和中子 ， 质子进一步衰变为中子 ， 形成简并中子星 。 外部下落的物质高速撞击在中子星上 ， 形成反弹激波 。 在此过程中产生大量的中微子 ， 它们在向外运动时推动激波向外扩张 。
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