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。