恒星结构与核能

气体压力

吹一个气球,它之所以保持绷紧,是因为里面无数空气分子在不断撞击橡皮,每一次微小的拍打累加起来便形成一股向外的推力。给气球加热,它会鼓胀,因为更热的分子运动得更快、撞得更猛。气体压力正是这样——由粒子永不停歇的随机运动敲击容器所产生的向外推力。恒星内部并没有气球皮,但同样是炽热气体的这种敲击向外顶住上层物质的重量,而这股推力正是撑起恒星的主力。

对普通的恒星气体,这一关系由理想气体定律概括:压力与粒子的数密度和温度都成正比——塞进更多粒子,或让它们更热,压力就升高。在恒星核心里气体被完全电离——原子被剥成裸露的原子核和自由电子——所以原子核和电子各自都在贡献撞击。数字极端:太阳核心的气体密度是水的一百多倍,却又热得(一千五百万开尔文)表现得像气体,而非固体或液体。

在普通恒星一生的绝大部分时间里,气体压力是主要支撑,而压力与温度之间的联系正使恒星成为稳定的恒温器。燃料烧得稍快一点,核心升温、压力上升、核心膨胀变冷、燃烧便放缓——这是一道内建的安全阀。这套机制在两种情形下会失效,它们各有专门词条:极大质量恒星,那里辐射压力接管;以及恒星死亡后的核心,那里电子简并压力根本不再理会温度。

假如你能神奇地把太阳核心降温百分之十而不改变其密度,气体压力也会随之下降约百分之十——失去充分支撑的外层便会开始向内沉降,直到挤压重新加热核心。正是这种压力与温度的紧密耦合,使太阳保持平稳。

在普通恒星中压力随温度变化,使恒星拥有一个自稳定的恒温器。

我们熟悉的压力—温度联系属于普通(理想)气体。在白矮星中,支撑它的是简并压力,几乎不依赖温度——这正是死亡核心能冷却漫长岁月而不塌缩的原因。

又称
thermal pressureideal-gas pressure热压力氣體壓強