恒星残骸

每颗恒星最终都会成为三种致密残骸之一：白矮星、中子星或黑洞。其结局主要由质量以及（如果存在的话）仍能抵抗引力的压力形式决定。

Definition

恒星残骸是指恒星停止核燃烧并抛射或坍缩其外层后留下的致密天体，包括白矮星、中子星和黑洞。

Scope

该领域涵盖了恒星耗尽核燃料后留下的致密终态：由电子简并压支撑的白矮星、由中子简并压和强力支撑的中子星，以及没有任何压力能阻止其坍缩的黑洞。此外，还包括形成或伴随它们的核塌缩超新星和热核超新星。

Sub-topics

• 核心坍缩与超新星
• 简并物质与白矮星
• 中子星和脉冲星
• 恒星级黑洞

Core questions

• 什么决定了一颗恒星会留下哪种残骸？
• 简并物质如何支撑恒星抵抗引力？
• 为什么恒星残骸有最大质量限制？
• 残骸是如何通过超新星形成和显现的？

Key concepts

• 白矮星
• 中子星
• 黑洞
• 简并压
• 钱德拉塞卡极限
• 致密天体
• 超新星

Key theories

简并压和极限质量

电子的量子简并压支撑白矮星直至钱德拉塞卡极限，中子简并压和强力支撑中子星直至一个数量级相似的极限；超过这些质量，任何已知压力都无法阻止其坍缩成黑洞。

质量依赖的终态

低质量和中等质量恒星在抛射行星状星云后演变为白矮星，质量更大的恒星在超新星中坍缩成中子星，而质量最大的恒星则坍缩成黑洞，因此恒星的初始质量在很大程度上决定了其残骸类型。

Mechanisms

当核燃烧结束时，恒星核心会收缩，直到量子简并压阻止其进一步收缩，形成白矮星或中子星；或者，如果核心质量过大，没有任何压力能够支撑，引力将占据主导，核心坍缩成黑洞。周围的物质层会以行星状星云或超新星的形式被抛射出去，散布经过处理的物质，并可能留下可见的残骸。

Clinical relevance

恒星残骸是研究极端密度、引力和磁场下物理学的实验室；白矮星爆炸可作为宇宙学标准烛光；中子星和黑洞驱动着一些已知能量最强大的现象；它们的合并是探测到的引力波的主要来源。

History

钱德拉塞卡于1931年推导出了白矮星的最大质量；巴德和兹威基在1934年提出中子星是在超新星中形成的；奥本海默和沃尔科夫在1939年计算了中子星的极限；1967年脉冲星的发现以及2015年合并黑洞产生的引力波的探测证实了这些残骸的真实性。

Key figures

• Subrahmanyan Chandrasekhar
• J. Robert Oppenheimer
• Fritz Zwicky
• Jocelyn Bell Burnell

Seminal works

• shapiro1983
• chandrasekhar1931

Frequently asked questions

什么决定了一颗恒星会变成白矮星、中子星还是黑洞？

这主要取决于恒星的质量，特别是其最终核心的质量：低质量恒星留下白矮星，质量更大的留下中子星，而质量最大的留下黑洞，因为更重的核心会依次克服更强的压力支撑形式。

什么是简并压？

它是一种量子力学压力，产生的原因是电子或中子等全同粒子不能占据相同的量子态；它不依赖于温度，即使残骸冷却后也能支撑其抵抗引力。