宇宙中,星體的體積存在極限嗎?

宇宙中,星體的體積存在極限么


當然,多種星體都會存在上下限。不過由於各種問題,很少看到理論上的星體體積極限,質量倒是有,星體的身份與體積定義有時很成問題。

恆星,暫不考慮末期形成的緻密天體:

理論上,恆星的質量要大於大於13倍木星質量(木星質量大概是太陽的千分之一),這樣才能引發氘核聚變。質量在13倍至80倍木星之間的天體稱為褐矮星(也稱次恆星),更小的次褐矮星有時就不認為是恆星了。曾經的恆星演化理論認為恆星質量上限是120倍太陽質量(宇宙早期形成的第三星族星可以輕易突破這一極限),質量再大,消耗燃料更快,內部的壓力甚至可以克服引力而讓許多物質猛烈噴發出來,難以穩定存在。但在R136超星團內發現了好多顆質量大於這個極限的恆星,R136a1甚至達到了265倍太陽質量,據推測其剛形成時質量達到了驚人的320倍太陽質量。有理論認為這樣的恆星是多個恆星合併形成的。

那體積呢?這就需要恆星邊界的良好的定義了。特超巨星的平均密度算下來算下來可能比地球海平面大氣密度還小,考慮到其內部密度更大,外部的密度會小於地球高層大氣,相當稀薄,恆星的噴發層是否應該拉進來算半徑?在技術上確定恆星半徑是有困難的。下表給出了統計得到的一些大體積恆星,最大的超過1700太陽半徑(大犬座VY的體積前幾年被修正過,不再是最大):http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_largest_known_stars#List

下限按照0.013太陽質量的OTS 44取,約0.2個太陽半徑。

行星:

本來太陽系內行星已經夠頭大了,比如還有人堅持認為地球與月球是雙行星,冥王星與卡戎也是等等,如果還考慮太陽系外行星的話。要對這些作出定義,需要考慮的不光是科學上的,還有文化上的因素。

太陽系內行星無非那麼幾個,最小的就是下限,最大的就是上限。冥王星因為不能清除軌道附近的物體而被掃出門,但它的大小也曾備受吐槽,未來就算髮現更多行星,下限也不會比冥王小多少。

對太陽系外行星的定義甚至可以是不繞恆星旋轉的,比如「星際行星」,下面是03年修訂後的定義:

http://www.dtm.ciw.edu/boss/definition.html

系外行星從0.3個地球半徑(Kepler-37b)到木星的2倍以上(HAT-P-32b),這是目前統計結論:

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_extrasolar_planet_extremes#Planetary_characteristics

而根據定義,太陽系外行星的質量和大小下限參考太陽系,所以未來發現更多系外行星時下限可以進一步到冥王星大小左右;而上限,HAT-P-32b已經和上面所提的OTS 44差不多大了,而前者不過才1個木星質量,未來完全可能刷新這一上限,即行星的半徑可以大於恆星。

太陽系小天體:

列表在此,自行比對即可:

http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Solar_System_objects_by_size

此處有直觀圖:

http://kokogiak.com/solarsystembodieslargerthan200miles.html

其中衛星半徑可以大於行星(木衛三&>.水星),也可以很小,200m左右(如S/2009S1)。


樓主問得估計是星體,我們分三種討論:行星,恆星,和恆星死亡後的殘骸。

先從行星開始討論,眾所周知行星分為類地行星和類木行星這兩大類(後者還包括冰巨星(類海行星)這個子分類)。類地行星向下無止境(你可以把一個石頭叫做類地行星),但如果滿足流體靜力學那種球狀個人估計一般最少也得在100km直徑左右(這和目前小行星的結果相符),最大一般質量在地球的20倍左右(再大就會把氫氣和氦氣吸引過來,變不成類地行星了),那麼直徑最多也就是地球的5倍左右(由冰構成的超級地球,類似熱海王星)。而類木行星直徑和質量最小估計是地球的2.5倍左右(迷你海王星,再小質量不足以吸收足夠的氫氣氦氣水蒸氣等氣體),最大的體積是那種蓬鬆行星(熱土星,直徑大約是木星的2.5倍左右,但質量不超過木星的1.5倍,否則會被壓縮變小)。行星最大質量一般大約是木星的30倍(再大就得叫褐矮星了)。褐矮星是介於恆星和行星之間的天體,質量在木星的13~70倍之間,但直徑一般不超過木星的2倍(再大就會被壓縮變小)。而真正的恆星(正常還能主動產生能量的恆星,白矮星那種殘骸不算),最小的一般是紅矮星,木星大小的體積(太陽的千分之一體積),但有70個木星質量。正常的主序星質量最大的就是樓上所說的R136a1(一開始估計有太陽的320倍質量,以後變成超新星時估計會發生光子蛻變),直徑也就是太陽的35~40倍左右,但體積最大的卻是那群特超巨星。不過特超巨星在中低溫段(15000K以下,大概是B7以後,也就是部分藍特超巨星,所有的白特超巨星,黃特超巨星,紅特超巨星)有限制(記不清哪本專業教材上講過,大概在絕對星等-9.5等左右,大約是太陽的50萬倍光度),這裡我們放寬到100萬倍太陽光度(為什麼強調光度,和後面有關)。

假設有一顆世界之最級別的紅特超巨星,有100萬倍太陽光度。考慮到它的溫度大概是太陽的一半(這裡按太陽的一半計算),那麼為了維持100萬倍太陽光度,它的表面積必須是太陽的1600萬倍左右(根據光度和溫度的四次方正比關係),那麼半徑應該是太陽的4000倍左右。當然,由於限制條件(光度首先沒有那麼高,而且光度和溫度也不是嚴格四次方正相關),實際上會小一些。而目前最大的紅特超巨星半徑也在太陽的2000倍左右,考慮到溫度後光度也就是太陽的50萬倍左右(這和上述的理論基本符合)。而4000倍太陽半徑大約意味著天王星軌道的大小,實際上目前最大的特超巨星也就土星軌道半徑。而溫度更高的黃特超巨星,白特超巨星,藍特超巨星體積只會更小:黃特超巨星按照以上估算(最低溫度大約5000K),半徑大約在太陽1300倍左右;而白特超巨星(最低溫度大約7000K)則限制在太陽的700倍左右。這些都和目前的發現相符合。藍特超巨星由於光度限制不多(雖然理論上沒有上限,但一般越亮的藍超巨星溫度也比較高),就算目前發現最亮的特超巨星的光度:900萬倍太陽光度(在主序星附近的R136A1可以達到870萬倍,但特超巨星海山二不到600萬倍,這裡按最大值估算),溫度如果是太陽的2.5倍,那麼半徑也不過太陽的500倍左右(這已經明顯高估,實際上目前最大的藍特超巨星手槍星也就太陽的300倍半徑)。

而對於恆星的殘骸來說,無論是白矮星還是中子星抑或恆星級別的黑洞,體積都遠遠小於前者。白矮星的體積和類地行星相仿,中子星半徑在10~30km,而黑洞半徑則按照質量(太陽質量)*3km計算,一般恆星級別黑洞半徑在10~100km左右。當然,和那種質量上百萬甚至幾百億倍太陽的星系級別超級黑洞相比,簡直弱爆了。但超級黑洞稱作天體實在勉強,它們的體積最大的估計有0.03光年左右的半徑(1000億倍太陽質量,大約有2000個天文單位)。

這就是宇宙中所有能稱作天體級別的體積大小範圍,當然最後的超重黑洞實在勉強~


昌德拉塞卡極限


根據三巨星循環理論,星體的體積和質量都是有極限的。


推薦閱讀:

現在天體物理領域中有哪些亟待解決的難題呢?
黑洞看起來是一個光環,那從側面看會怎樣呢?
太陽如果突然消失1秒,整個世界,整個太陽系會發生什麼變化?
如果太陽突然消失了,地球立即就會被甩出去還是要像光那樣過幾分鐘才會在地球上感覺到?
射電望遠鏡用綜合口徑技術提高解析度主要看組成陣列的望遠鏡數量還是陣列中望遠鏡的最大距離?

TAG:天文學 | 天體物理學 |