恆星結構與核能
氣體壓力
吹一個氣球,它之所以保持繃緊,是因為裡面無數空氣分子在不斷撞擊橡皮,每一次微小的拍打累加起來便形成一股向外的推力。給氣球加熱,它會鼓脹,因為更熱的分子運動得更快、撞得更猛。氣體壓力正是這樣——由粒子永不停歇的隨機運動敲擊容器所產生的向外推力。恒星內部並沒有氣球皮,但同樣是熾熱氣體的這種敲擊向外頂住上層物質的重量,而這股推力正是撐起恒星的主力。
對普通的恒星氣體,這一關係由理想氣體定律概括:壓力與粒子的數密度和溫度都成正比——塞進更多粒子,或讓它們更熱,壓力就升高。在恒星核心裡氣體被完全電離——原子被剝成裸露的原子核和自由電子——所以原子核和電子各自都在貢獻撞擊。數字極端:太陽核心的氣體密度是水的一百多倍,卻又熱得(一千五百萬克耳文)表現得像氣體,而非固體或液體。
在普通恒星一生的絕大部分時間裡,氣體壓力是主要支撐,而壓力與溫度之間的聯繫正使恒星成為穩定的恆溫器。燃料燒得稍快一點,核心升溫、壓力上升、核心膨脹變冷、燃燒便放緩——這是一道內建的安全閥。這套機制在兩種情形下會失效,它們各有專門詞條:極大質量恒星,那裡輻射壓力接管;以及恒星死亡後的核心,那裡電子簡併壓力根本不再理會溫度。
假如你能神奇地把太陽核心降溫百分之十而不改變其密度,氣體壓力也會隨之下降約百分之十——失去充分支撐的外層便會開始向內沉降,直到擠壓重新加熱核心。正是這種壓力與溫度的緊密耦合,使太陽保持平穩。
在普通恒星中壓力隨溫度變化,使恒星擁有一個自穩定的恆溫器。
我們熟悉的壓力—溫度聯繫屬於普通(理想)氣體。在白矮星中,支撐它的是簡併壓力,幾乎不依賴溫度——這正是死亡核心能冷卻漫長歲月而不塌縮的原因。
又稱
另見