致密天体:白矮星、中子星与黑洞

钱德拉塞卡极限

/ chun-druh-SHAY-kar /

白矮星能有多重,存在一道硬上限——大约是太阳质量的一点四倍。一旦超过这个数,这颗星就再也撑不住自己,必然塌缩或爆炸。这道上限就是钱德拉塞卡极限,它是天体物理中最具影响力的数字之一,因为它决定了哪些恒星安静地死去,哪些则在一道亮得能横跨宇宙被看见的闪光中谢幕。

这道极限的成因,是两条物理之间一场漂亮的对撞。白矮星靠电子简并压力撑住——电子拒绝被挤到一起。但一旦加上质量,引力就压得更狠,迫使电子越动越快,直到逼近光速。一旦快到这个地步,爱因斯坦的相对论便指出:无论你再怎么压缩,它们都无法把回推之力再加大分毫。于是在约一点四个太阳质量以上,引力干脆获胜。一位十九岁的学生苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡,于一九三〇年在从印度驶往英国的轮船上算出了这一切。

这道极限真正的威力,体现在临界点上发生的事。一颗从伴星身上虹吸气体的白矮星渐渐逼近一点四个太阳质量,与此同时,失控的核燃烧被点燃,整颗星引爆为一颗Ia型超新星。由于它们几乎都在同一质量上爆炸,这些爆发达到的峰值亮度也几乎相同——这恰恰使它们成为测量宇宙距离、并最终揭示宇宙加速膨胀的标准烛光。要注意,这道极限并不正好是一点四;精确数值取决于成分与自转。

把白矮星想象成一张腿数固定的凳子。加重量到某个程度它还撑得住;可一旦越过一点四个太阳质量、哪怕再添一根羽毛,所有的腿就会同时折断。正是这种突如其来、要么全撑住要么全垮掉的失效方式,使Ia型超新星的亮度如此整齐划一。

一触及极限,白矮星便全盘崩溃——于是爆炸几乎一模一样。

一点四这个数针对的是不自转的碳氧白矮星;快速自转能多撑住一些。中子星则有它自己另一道独立的上限(托尔曼—奥本海默—沃尔科夫极限)。

又称
Chandrasekhar masswhite-dwarf mass limit钱德拉塞卡质量白矮星质量上限