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超新星爆炸可以有多恐怖？

知乎盐选 2022年12月22日 256 次阅读阅读原文

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核心导读宇宙间最牛的爆炸，没有之一。

宇宙间最牛的爆炸，没有之一。
恒星通过超新星爆炸，能把这些年攒的家当全扔出去，变成弥散的宇宙尘埃。
按照惯例，先捋捋概念。
首先，姑且认为宇宙是大爆炸产生的。
很久很久以前，有个点，突然爆炸了！
炸出来一堆基本粒子，如质子、电子、中微子等，就是基本粒子模型里描述的那些东西。
这就是最初的宇宙，没有恒星、没有行星，只有粒子。
随后，物理定律开工干活，基本粒子纷纷相互结合，形成原子。
因为质子带正电，电子带负电。
所以最容易结合的当然是质子和电子，这就是氢原子了。
有时候两个质子也会凑巧碰到一起，形成氦原子。但是质子越多，凑一起形成原子难度就越大，毕竟质子都是带正电，相互排斥。
因此当时的宇宙中，绝大部分原子是氢原子和氦原子，其中氢原子只有一个质子，所以占了绝大部分中的大部分。
简单来说，当时的宇宙弥漫着无边无际的氢气，啥天体也没有。
在万有引力作用下，弥散在宇宙中的氢气相互吸引，拉帮结派，逐渐形成气团。
质量越大引力就越大，马太效应很快出现，大气团越吸越多，不断吞噬周边的氢气。
一顿混战下来，直至气团周边啥也不剩，江湖纷争告一段落，最后形成了一大团一大团的氢气团。
于是呢，现在的宇宙到处飘着氢气团。
天体演化的本质，就是一场与引力的拔河比赛。
这些气团纯粹靠引力聚在一起，而引力大小与质量、距离有关。
这就导致了一个结果。
气团吞噬的氢气越多，质量就越大；
质量越大，引力就越大；引力越大，气团体积就越被压缩；
体积越压缩，氢气分子之间的距离就越近；距离越近，引力就越大。
于是，气团中心随着体积不断压缩，受到的压力越来越大，这个压力一直增加到能把两个氢原子核拧到一起为止。
也不知是谁定下的规定，两个氢原子核拧到一起就会释放出巨大的能量，人类称之「聚变反应」，这也是氢弹的原理。
聚变发光又发热，发的光就是我们看到的阳光和星光，发的热会使气体膨胀。
随着气团不断被压缩，参与聚变反应的氢原子就不断增多，发热也就越多，气体膨胀的力量随之增大，一直增加到与引力达成平衡，这个时候气团的结构是稳定的，不膨胀也不压缩。
这种靠不停爆炸发热维持平衡的气团，就是：恒星。
比如我们的太阳。
还有一些修炼入门失败的「准恒星」，引力刚好可以把中心少量的原子核拧到一起，但聚变反应不剧烈，不足以让整个星体燃烧，不像恒星那么耀眼。
这种失败的恒星，就是：褐矮星。
还有更失败的。
前期躲过了大气团吞噬幸存下来的小气团，引力不够大，气团中心拧不动原子核，没有聚变反应，也就没了发光发热，最后就成了：气态行星。
比如，太阳系最大的行星，木星。
恒星依靠聚变爆炸都威力与引力抗衡，注定是一场徒劳。
因为恒星质量不变，引力就不变，但聚变却不断消耗能量。
又不知是谁定下的规定，铁以下的原子核拧到一起会释放能量，铁以上的原子核拧到一起要消耗能量。
反之，铁以上的原子核分裂会释放能量，铁以下的原子核分裂要消耗能量。
这就是「聚变」和「裂变」的概念。
所以，引力把 1 个质子的氢拧成 2 个质子的氦，再往下拧成锂（3 个质子）、碳（6 个质子），一直拧到铁（26 个质子）为止，再拧就是亏本买卖，不可持续了，因此这场较量，笑到最后的必然是引力。
而实际上，恒星根本没机会从容把氢拧成铁。
因为越拧到后来越费劲，把 2 个氦拧一起就比拧 2 个氢要费劲很多。
当恒星内部的氢大部分被拧成了氦之后，中心压力还不足以拧得动氦。
所以恒星就失去了聚变爆炸的威力，于是引力就继续压缩恒星体积，一直压到氦聚变出手为止。
不过氦聚变不会轻易出手，堆在中心的氦首先是被压缩成简并态。
这个简并态是个关键，可以理解为电子被压缩到没地方挪动了，像是一个超级高压锅。
如果恒星质量低于 0.8 倍太阳质量，内部压力不够大，那么这个高压锅就永远这么的了，俗称白矮星，因为成分是氦，也叫氦白矮星。
如果恒星质量高于 2.0 倍太阳质量，内部压力足够大，那么在变成高压锅之前，就足够把氦原子拧成碳原子。
这样一来，氦聚变取代氢聚变，源源不断提供能量，气团就能继续与引力抗衡，恒星就会停止收缩，这一轮氦闪就算躲过去了。
若干年后继续挑战下一轮碳闪，挑战失败就成为一颗碳白矮星，大名鼎鼎的砖石星就是此类。
如果恒星质量在 0.8~2.0 倍太阳质量之间，那就麻烦了。
在变成高压锅之前，内部压力不足以发生氦聚变，在变成高压锅之后，内部压力还能继续压爆这个高压锅。
这个高压锅被压爆的一瞬间，氦聚变被点燃，这种失控的反应剧烈而短暂，称之为「氦闪」。
科幻小说《流浪地球》的背景，就是太阳要氦闪，导致地球要流浪。
这些恒星就淘汰出局了，其他恒星继续晋级下一轮。
恒星一开始只在内部有聚变反应。
因为只有这里的引力足够大，但随着体积缩小，引力不断增加，外层的氢也会逐渐参与聚变，而内部的氦聚变开始后又特别剧烈，加上体积急剧变化，整个过程异常复杂！
这种火药桶似的天体，
就是：
红巨星。
大块头的红巨星很少自然死亡，因为红巨星内部反应实在太复杂，聚变生成的各种新元素你来我往，弄到最后很难与引力维持平衡！
有时 high 过了头，一言不合就掀桌子，这可是宇宙间最牛逼的爆炸，没有之一！
这就是大名鼎鼎的：超新星爆炸。
根据不知谁定下的规定，只要能量足够就能拧原子核，这种剧烈爆炸的局部能量非常非常巨大，可以拧出各种超过铁的大号原子核，甚至是铀这种 92 个质子的怪胎。
这里有个很有意思的事情，如果没有超新星爆炸，宇宙里可能就只有氢氦锂碳氧等寥寥几种元素了，能不能诞生生命都是两说的事情。
所谓的元素，就是基本粒子在这场江湖纷争中的分分合合。
江湖在继续。
恒星通过超新星爆炸把这些年攒的家当全扔了出去，变成了弥散的宇宙尘埃，这些尘埃不像刚开始只有轻原子，而是含有各种轻重元素。
重元素可以结合形成固体，于是，江湖就不再是原来那个江湖了。
当然，一次超新星爆炸不足以产生足够的尘埃，此时用一将功成万骨枯来形容，再合适不过。
尘埃开始了新一轮的「拉帮结派」过程，因为可以形成固体，就不需要仅仅依靠引力聚在一起。
换句话说，能以小块形式存在，所以，这些尘埃聚成了一颗颗小小的固体球。
这种很小很小的固体球，就是多数「行星」的来源。
比如，咱们的地球。
大块头红巨星爆炸后或许还能剩下点内核，这种涅盘重生的内核往往修炼天赋极高，还有那些侥幸没爆炸的红巨星，晋级下一轮，继续修炼。
拧原子核是越到后来越费劲，恒星氦闪之后，内核把氦元素拧成了碳元素，偶尔还能拧出氧、氖或镁，通常到了这会，引力就不足以继续拧原子核了。
然后，依靠拧原子核的聚变威力与引力抗衡的时代一去不返，没有了聚变能量，引力又开始逞凶，继续压缩，一直压到「电子」有意见为止。
电子也是有脾气的，聚变退休后，电子就扛起了与引力对抗的重担。
又不知是谁定下的规定，相同的电子是不能待一起的，这种压力叫「电子简并压」。
但引力非要把电子摁到一起，于是简并压随着压缩不断增大，一直增大到与引力平衡为止，此时原子核已经被压缩的很致密了，密度达到 10 吨/立方厘米。
能把一颗恒星压缩得和地球差不多大小。
这就是：白矮星。
小块头的白矮星没了聚变，若再没有外界的物质或能量输入，就逐渐冷却不再辐射，各种反应也停止了，变成一颗死星。
这是很多恒星的宿命：黑矮星。
不过，即便宇宙中第一颗恒星最终演化成了白矮星，到今天为止，仍没有彻底冷却变成死星，所以黑矮星只是个概念。
宇宙，毕竟还是太年轻啊！
大块头的白矮星，引力实在太霸道，无视电子简并压，直接把电子摁到了原子核内，和质子一起形成中子，于是电子简并压就消失了。
引力继续压缩，一直把电子都压进了原子核，成了中子。
此时天体直径仅有 10km 大小，密度达到 10 亿吨/立方厘米，活脱脱一颗超超超大号的原子核，中子毫无缝隙的紧密挤压在一起。
这就是：中子星。
白矮星变成中子星的过程反应也是异常剧烈，通常，反应剧烈的天体动不动就超新星爆炸，有些中子星就是白矮星炸完形成的。
顺便说一句，有时候天体还会相撞，这种程度的撞击，妥妥的超新星爆炸。
人类已经观察到的很多超新星爆炸就是，中子星撞上白矮星发生，中子星相撞。
因为天体在尘埃汇聚过程中都保留了原先的角动量，几乎都是旋转的，中子星自然不例外。
根据角动量守恒，中子星变小后转的就很快，有些中子星的磁轴和自转轴不重合，就好比磁铁的 N 极和 S 极位置不停变化，就会发出非常有规律的电磁脉冲信号。
因为太有规律，曾经一度被认为是外星人的信号。
这就是：脉冲星。
小块头的中子星，又是发热又是发信号，逐渐把能量折腾完，最终的宿命还是「黑矮星」。
大块头的中子星，引力还有余力继续压缩，最后的最后，把理论上无法压缩的中子压缩成了一个「奇点」，终于修炼到了巅峰，成了广为人知的「黑洞」！
黑洞的诡异之处在于，小而无内的基本粒子居然再度被压缩了，就好像一辆塞爆的公交车又挤上去 100 人。
我们不经要问，粒子是什么？空间又是什么？
虽然量子场论对粒子已经有了一个勉强的解释，但相对论对空间给出的答卷就有些不够用了。
相对论认为，质量会引起空间的弯曲，黑洞质量如此之大，大到让空间极度弯曲，形成了一个空间闭环，啥东西也出不来，包括光。
但是，引力波的提出和发现，成了让人头疼的事情。
引力原来和光一样，也是一种波，也是按照光速对外传播的。
于是，一个铁打的事实就摆在了眼前：黑洞无论多么抠门，无论把空间封闭成什么样，丝毫不影响引力对外传播。
进一步说，以目前人类的认知，没有任何东西能影响引力的传播。
这让人不得不怀疑，引力会不会是在更高维度传播的？以至于可以无视我们三维世界的任何事情。
难怪物理学折腾四大基本力这么多年，唯独引力无法统一。
黑洞的事情就到这儿。
不过，黑洞、白洞、虫洞，三大吹牛好素材，另外两位也不能缺席。
白洞纯粹是数学公式上拍脑袋的产物。
把黑洞数学模型的某个取值改了改，结果黑洞从「只进不出」变成了「只出不进」，然后就提出了白洞的概念。
白洞不但在观测上毫无依据，在理论上也难自圆其说。
哪天找到了玉皇大帝，也不见得能找到白洞。
虫洞的概念就靠谱多了。
广义相对论认为空间是可以弯曲的，引力足够大就可以把空间对折起来。
如果有只虫子，从对折的空间中咬出一个洞，就可以实现空间跳跃，于是就给取了个「虫洞」的名字。
有人可能已经想到了，这么说起来，宇宙中的能量，归根结底来自最早期的氢，氢原子不断聚变，才为宇宙的演化提供了能量。
那么，最后还有个小问题：
当宇宙中所有氢元素都聚变成了铁，接下来的路子该怎么走呢？备案号:YXA1bKrZbA8CxMjwK1ocPDPy

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