如何制造一颗恒星

作者: 大大

发布日期: 2016-07-17

本文详细介绍了在假设处于III型文明的情况下,如何通过收集足够多的氢气并使其在重力作用下坍缩来制造一颗恒星。文章从材料选择、物理过程、质量与大小的关系等方面进行了深入探讨,并解释了恒星与褐矮星的区别。

假设你已经处于卡尔达肖夫的III型文明,现在你的任务是制造一颗恒星来完成你的科学项目。那么你要如何创造出一颗恒星呢?卡尔达肖夫指数是一种用来量度文明的指标。卡尔达肖夫总共提出三个文明等级,后来天文学家由延伸到五个。目前地球处于0型文明,卡尔达肖夫预测人类会在未来100-200年间步入I型文明。处于III型文明的时候人类就可以利用所处星系的所有能源。

在最基本的层面,要制造一颗恒星其实是很简单的。只要收集足够形成恒星的气体和尘埃,它们就会在自身的重力下坍缩,再给定足够的时间恒星就会形成。这也是宇宙中恒星的形成过程。但是,现在你的答案会影响你科学项目最后的分数,因此如果能够把质量,大小以及温度都考虑进来,或许你取得一个不错的分数哦。

我们首先要考虑的自然是要用什么材料来制造一颗恒星,以及这些材料在不同温度和压力下的行为(通常称为状态方程)。在宇宙中,氢是最常见的材料,现在为了把事情简化,我们假设要制造的恒星完全是由氢气组成的。因为氢气的状态方程非常简单,因此很容易就能算出在制造恒星的过程中会发生什么。

当我们把足够多的氢气聚集在一起的时候,有两件事情开始发生:氢原子之间的引力吸引会导致它们在自身的重力下坍缩,以及氢气产生的压力会跟重力对抗并往外推。它们之间最终会达到平衡状态,这种平衡称为流体静力平衡。但是这样还不足以能够制造一颗恒星。如果聚集的氢气质量相当于土星的质量,你会得到一颗土星大小的行星,而不是恒星。

最显而易见的解决方法就是增加更多的氢气,这就会使行星变得越来越大,最终这颗炽热的“氢气球”会成长到一颗木星大小的行星。现在你应该已经意识到,想要完成这个任务,就是要不断地添加跟多的氢气!纵轴代表行星的大小(单位为木星半径),横轴代表行星的质量(单位为木星的质量)。好吧,既然这样,我们就继续往这个氢气球内不断地加料,让它越来越大,看看会发生什么!很快的,一些有趣的事情开始发生了。

更多的氢气意味着更大的质量。这个时候气体就会被挤压的更强,结果就是它会被压缩。所以,如果你把土星大小的行星质量翻倍,很显然你并不会得到两倍大的土星。你会得到一颗比土星稍微大点的行星,但是密度更高。例如,木星的质量是土星的三倍多,但是它只比土星大~15%(上图)。而木星的平均密度却是土星的两倍左右。一颗木星大小的行星能够到达的最大半径。现在继续增加行星的质量,直至成长到三倍木星的质量。

这个时候,氢气球的重量已经太大了,继续增加更多的质量只会使行星变小。结果是,10倍木星质量的行星的大小跟木星差不多大。由于这个原因,天文学家在研究地外行星的时候遇到了挑战。因为一颗木星大小的行星并不等于跟它的质量一样大。同样的情况也发生在小行星上。一颗“超级地球”的行星比地球大一些,它可能是一颗岩石行星也可能是一颗小的类似海王星的行星,这取决于它们是由什么构成的。

恒星(Stars)和褐矮星(Brown Dwarfs)。纵轴代表大小(相较于太阳),横轴代表温度。(P.Marenfeld & NOAO/AURAN/NSF)一旦氢气球达到了15倍木星质量的时候,它就进入了褐矮星的行列。增加更多的质量会使它变小,在这个时候恒星内部的温度开始扮演着至关重要的角色。简单的流体静力平衡模型还不够。在最中心的氢气开始被非常强有力的挤压,并且不断的被加热。

因此一个跟木星一样大小的褐矮星,会比木星的温度高出10倍。继续增加质量会稍微使褐矮星缩小一点点,但这时会达到一个点,其内部的温度会使氢气的压强会增加的比加入质量导致的挤压更快。就好比对于行星的大小有一个上限,对于褐矮星的大小也有一个下限。褐矮星的大小下限是木星的80%,这样的一颗褐矮星看起来就像是一颗很小并且非常暗淡的恒星。

注:褐矮星的质量太低,所以它们不能够像太阳或其它恒星一样在核心进行氢融合反应。它们的质量一般在20 - 70个木星质量。对褐矮星研究的其中一个中心问题是它们更像恒星呢,还是更像行星?一颗真正的恒星在其核心正进行着核聚变。恒星的星光和热的来源并不是由于引力收缩,而是从氢聚变成氦获得的。一旦达到90倍木星质量,氢气球就会达到这样的状态,这个质量正好是极小褐矮星的质量。

现在你成功的制造了一个恒星,增加更多的氢气只会使它更大和更热。由于恒星在其核心将氢融合成氦,它的大小和密度也会随着时间而改变。但是如果我们只考虑稳定的主序星,它们之间的大小和质量有一个简单关系。所以你可以决定要加入多少氢气来得到你想要的恒星大小。

当然,这只是一颗简单的假设恒星。真正的恒星不会只有氢气,根据不同的起源和年龄它们跟你刚刚制造的玩具恒星会非常的不同。有兴趣的读者可以想想会有什么不同。

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