大量氣體聚集會形成恆星,那大量重元素即固體聚合之後會是一個怎樣的演化呢?

恆星由原恆星吸積盤慢慢匯聚而點燃,宇宙雖然空曠,但是勢必也有大量類地行星,如果這類行星繼續吸積,會發生什麼呢?可有類似的觀測數據,或者說兩個大質量類地行星發生碰撞,是個什麼情況?


我記得督工 @馬前卒 回答過「超大的固態行星能否存在」之類的問題。督工的回答大體上沒問題,但他當然不可能說出太多細節,也有一些瑕疵;我就給他補充補充吧。

首先,要明確的一點是,類地行星的數量雖然多,但遠遠多不到頻繁碰撞的地步。對恆星和行星來說,宇宙比我們想像得空曠得多。

平均而言,在行星形成過程結束之後,雖然「小石頭」們經常撞來撞去,但兩個地球這麼大的行星相撞的平均時間,是大大長於當前宇宙的年齡的。國際天文聯合會對「行星」的定義中有這麼一條:清空行星所在位置附近的其他大小天體(這是「開除」冥王星的主要理由之一)。除非有重要的引力攝動,嚴重改變了某些大行星的軌道,否則,時至今日,兩顆足夠大的岩石行星是不太可能撞一塊兒的。

而且,兩塊大小相近的超級石頭之間的碰撞,是幾乎一定會把彼此撞散架的。足夠質量的固態行星相撞極其容易把兩者一塊兒撞散,原因是缺乏有效的耗散能量和角動量的機制(簡單但不嚴密地說,你隨便在某個行星系統裡頭抓倆固態行星,它們構成的動力學系統的總能量,是幾乎肯定大於零的;如果沒有足夠的耗散,它們一撞之下,是幾乎一定都要粉身碎骨的)。

順帶一說,行星形成理論中,有一個所謂的 meter size barrier。這個尺度下的石頭(已經可以被叫做「星籽」了)很難變得更大,原因也是這個尺度的星體與氣體的耦合已經很弱而難以耗散(你可以設想一下,一個球體的體積越大,則它的比表面積越小,單位質量受到的氣體的「摩擦力」也就越小),也不像更大的超級大石頭那樣,能有效地把撞上來的小石頭的能量有效地變成熱能再慢慢釋放掉。

其次,類地行星質量實在太小了。一個星體的中心最高可以達到的溫度,與它的質量和相對原子質量等數量之間有如下關係:
T_mathrm{max} simeq 1.6 	imes 10^8 mathrm{ K} 	imes mu mu_e^{5/3} left(frac{M}{M_odot} 
ight)^{4/3}
其中,M是星體的質量,M_odot是太陽質量,mu是星體的平均相對原子質量,mu_e是星體的電子丰度。

這個溫度上限的存在原因是,「常態」物質在自身引力之下,將被壓縮升溫,但這樣的升溫過程,最高也只能到達那樣一個溫度。如果進一步壓縮之,物質將由氣態或等離子態(「常態」)轉為電子簡併態,其壓強將變得與溫度無關,這繼續的壓縮並不能使得溫度繼續升高。

我們就先不指望氦或者更重的元素被點燃了;假定星體裡頭還有一點兒氫,那麼,要讓這僅有的一丁點兒氫顯著地燒起來,溫度至少要到 10^7 mathrm{ K}左右。假定這個星體的平均相對原子質量是 28(「硅星」),那麼把 musimeq 28mu_esimeq 0.5 代進去,可以得出,這個星體起碼得有 0.025 (四十分之一)個太陽質量。

幾十分之一個太陽質量是什麼概念?一萬倍地球質量。而且,在這個下限處的核燃燒,是要求在重元素(用於使星體足夠緻密和高溫)中有足夠的氫(用來當燃料)的,而這類情形,就算存在,也是極其少見的。

倆地球這麼大的撞一塊兒就極其不容易了,還要來一萬次;至於比地球更大的固態行星,數量本來就少,撞起來就更稀少了。這畫面,我是不敢想像的了。

如果你找來了上帝他老人家,讓他給放一團足夠的由重元素構成的物質在某處,而且你要多少他給多少呢?

以前搭過一個爛尾樓:如果向太陽發射一個跟太陽一樣大的水球,那麼太陽會被撲滅嗎? - 王力樂的回答。事實上,我是用 mesa 這個代碼(算是恆星結構和演化這一塊兒的「工業標準」了)做過模擬了的:一個水球,哪怕只有 0.1 太陽質量,也是會燒起來的(如果這個「水球恆星」的質量接近一個太陽質量,溫度和密度就會高到可以碳氮氧循環的方式燃燒的地步,而真正的太陽離能發生碳氮氧循環的條件還有差距),而且相對而言非常亮(光度很高)。

問題是,水球裡頭有大量的氫,而岩石行星在氫丰度方面一般都是夠嗆的。

我們還是從質量譜的底端開始說吧。

大約大於十倍地球質量(有人認為是 14 倍——更精確的數值需要一門叫做「計算天體凝聚態物理」——伯克利有人做這個——的特殊子學科的發展給出足夠好的物態方程才行)時,硅酸鹽(因為恆星燃燒產生的重元素中氧和硅都夠多)為主的類似地球的固體物質,將不能在常規狀態下對抗引力,而「被迫」轉為電子簡併物質。這個質量下的電子簡併星體,會是一個具有簡併內核和緻密大氣的星星,與氣態行星一定程度上有些相似(這樣的行星與亞棕矮星的界限並不是特別明晰)。低質量的棕矮星非常冷,溫度大致是幾百到幾千 K;它只會這樣慢慢冷卻,離核燃燒還是太遠。

質量更高些,到了木星質量(大致是三百倍地球質量)附近(木星本身也有一個簡併內核,不過主要是簡併的金屬態氫),星體會被稱為亞棕矮星,會有痕量的核燃燒,「可燃物」是氚和鋰。但是,這樣的核燃燒不能持續太長時間,甚至通常沒法達到能量的收支平衡。等著它的,也將是慢慢冷卻。

繼續往上加質量,直到剛才說的幾十分之一到十分之一太陽質量(幾十到上百個木星質量)附近。這時,如果星體的氫丰度足夠(比如,這個星就是個大水球/冰球),它就要開始核燃燒了;但這個燃燒壽命,比同等質量的普通恆星的壽命要短得多(既因為氫更少了,也因為具有更大平均相對原子質量的恆星需要更高的溫度和核反應速率才能產生足夠的壓強對抗引力)。短暫的光輝之後,它將變成白矮星。如果氫的丰度不夠燃燒的,那它將直接變為「白」矮星(它很可能比真正的白矮星冷得多)。

最後,還有一點要注意的。電子簡併物質構成的星體中,電子運動速度是不能接近光速的。如果簡併星體的質量繼續增大,會導致星體中電子更加接近彼此;此時,泡利不相容原理會使得電子的運動速度更快(否則電子將被迫佔據位置—動量聯合空間——所謂相空間——中的相同位置)。星體中電子的運動速度越接近光速,這個星體的物質將變得越「軟」;「軟」到一定程度,星體將無法對抗自身引力。這時,星體會開始急劇收縮,而這個收縮會觸發白矮星的劇烈核燃燒;簡併星體的大規模核燃燒是不穩定的(太陽之類星體之所以有穩定的核燃燒,是因為,如果核燃燒速率略微增加,則太陽溫度增加,這導致壓強增加而使太陽膨脹,膨脹使得溫度和密度降低,核燃燒速率進而降低,如是形成一個負反饋性的穩態;而簡併物質的溫度和壓強是幾乎無關的,核燃燒速率增加並不會受到那樣的負反饋機制的制約),會炸掉——這就是所謂的 Ia 型超新星,人們拿它來研究宇宙學。

所以,結論大致就是:你會得到一個地球,然後是超級地球;繼續往上加質量,你會得到電子簡併星體;接著往上加質量,你會把這個簡併星體炸掉
——問題是,你根本不能指望通過固態物質的吸積實現這一過程,而得找個開金手指的傢伙幫忙才行。


的確應該請 @王力樂大神來回答,我來歪個樓。

如果兩顆類地行星發生碰撞,那麼情景(腦殘中)就是:一隻之後成為了地球,一隻之後成為了她的月亮。。。很接近的元素分布,還有嫦娥住在月亮上,和地球有了千絲萬縷的美好想像,這大概就是兩個類地行星碰撞後的情形。

至於重元素聚合,正如司機兄說的@名字長記不住斯基,首先你得有很多重元素,這首先非常難,因為宇宙中都是H元素是主導的,當氣體塌縮,總是先點燃H元素聚變,因為它聚變需要的溫度最低。

以上。


世上本沒有重元素,聚變多了,便有了重元素。
說白了,重元素都是熱核反應到頭了,以現有的物質團質量和能量無法繼續聚變而產生的物質。如果有聚變核電站的話,這些重元素就是核廢料,一堆核廢料撞上另一堆核廢料的話其實並沒有什麼卵用。。

所以最後的結果是固體物質團慢慢從外到內冷卻到絕對零度。
現在的地球便是一個不斷吸收其他重元素(吸收流星隕石甚至彗星月球)的固體聚合物,如果無太陽輻射持續供給能量或者供給小於自身輻射,地球也將慢慢降至絕對零度。

例外:恆星爆照成超新星再坍縮的過程中,瞬間的巨大能量和壓強會導致更進一步的聚變,然後就是超重元素之間的抱團聚合導致壓力破壞原子結構會形成白矮星中子星和黑洞這一類仍有輻射現象的超重力星體


看似深奧的問題其實很簡單,你覺得地球是氣體么


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