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。
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