宇宙演化

温润而哲

宇宙演化主要使用宇宙大爆炸理论阐述。
宇宙元素来源




恒星核聚变

恒星核聚变，根据原恒星质量，小质量太阳恒星可以聚变到碳，大质量恒星能聚变到铁，也就是恒星聚变最多可以从氢聚变到铁。质量之所以如此重要，是因为质量能影响核心的温度和压力，越重的原子核，聚变需要的温度和压力越高。质量越大的恒星，核心引力压力越大，温度越高，核聚变就越激烈，氢燃烧得就越快，这样寿命就越短。质量越小的恒星，核聚变就越温和缓慢，核心温度和压力越低，因此寿命就越长。

• 小质量恒星：氢 → 氦 ( → 铍） → 碳
  
• 大质量恒星：氢 → 氦 ( → 铍） → 碳 → 氧 → 氖 → 镁 → 硅 → 硫 → 氩 → 钙 → 钛 → 铬 → 铁
  

结合能： 分开原子核所有核子之间强力所需的能量称为结合能。
比结合能：结合能/核子数，就是比结合能。比结合能越大，原子核中核子抱的越紧，原子核越稳定。
铁也具有最大的比结合能，是最稳定的元素，是恒星核聚变的终点。聚变到铁都是释放能量的，再往上聚变需要吸收能量，相反的裂变到铁释放能量，铁再往下裂变需要吸收能量。
那么宇宙中铁以上的元素是怎么形成的呢？
因为宇宙中还存在比恒星核聚变更厉害的事件，比如说超新星爆发和大质量天体相撞合并。超新星爆发是大质量恒星在核聚变到铁后，外围质量急速向核心坍缩，被铁核反弹的部分和其它物质碰撞发生的。这个爆炸能产生更高的温度和压力，支持铁聚变成更重的元素。大质量天体相撞，比如中子星相撞、黑洞融合等，就像是小型奇点大爆炸一样，更是能产生更高的温度和压力，为更重元素的产生创造了条件。

超新星爆发
https://www.zhihu.com/video/1619431603792199680
恒星演化




赫罗图

恒星占可见宇宙绝大部分质量，并为可见宇宙提供绝大部分能量来源。恒星随着时间不停演化，气能量来源主要是：引力势能和核能。
从赫罗图可以看到，大部分恒星都在一条从左上角贯穿到右下角的被称为主序带的带状区域内，这类恒星被称为主序星，也叫矮星。主序星上方的恒星只要是巨星，在相同的颜色或者说温度下，巨星的尺寸和光度通常比矮星更大。位于主序带下方的主要为白矮星，白矮星不是主序星，它是中小质量恒星的演化终点，靠电子简并压抵抗重力而稳定存在。
一般恒星演化可以分为三个阶段：

• 主序前阶段：主要由恒星引力收缩提供能量。在引力作用下，分子云内物质密度高的区域收缩形成原恒星云，原恒星云稳定之后核心处形成原恒星，原恒星继续吸收周围的尘埃和气体，质量足够后成为主序前星，此时可以被观测到。主序前星已经具备成为主序星的初始物质条件，随后在引力作用下继续收缩，内部温度上升，直到内部开始氢核聚变，聚变产生的能量和引力达到平衡，成为真正的主序恒星。此过程比较短，质量越大所需时间越少，太阳大概需要上千万年。
  
• 主序阶段：由恒星核心处的氢到氦核聚变反应提供能量。主序阶段就是引力和聚变动态平衡的阶段，此过程会持续很长一段时间，期间核心处氦的比例和和核聚变速度将稳步增加，温度和光度野将缓慢增长。主序阶段的时间取决于恒星质量的大小，质量越大氢聚变越激烈，时间就越少，太阳大概需要100亿年，而质量最小的红矮星（0.08倍太阳质量）可达12万亿年，已经远远超过现在宇宙的年龄。
  
• 主序后阶段：由氦、碳或更重元素的核聚变提供能量。主序星核心处的氢燃烧殆尽后，恒星的演化将进入主序后阶段。
  质量低于0.5 倍太阳质量的主序星核心温度不足以进行氦聚变，最终成为一颗氦白矮星。
  质量介于 0.5 至 8 倍太阳质量的主序星将演化成为比在主序列时更大但表面温度更低的红巨星。此类恒星会依次进入红巨星分支（惰性氦核和燃烧氢壳）、水平分支（燃烧氦核）和渐近巨星分支（惰性碳氧核和燃烧氢氦壳）等阶段，然后排出其大部分的外层物质形成一个行星状星云，最终其核心将成为一颗碳氧白矮星。太阳在大概50 亿年后将成为一颗红巨星，直径扩大数百倍，足以吞噬掉太阳系包括地球在内的内侧行星。
  质量更大的主序星会演化成红超巨星，核心会一直聚变成更重元素，直到产生铁。如果核心温度不足够产生铁，会最终形成一颗白矮星，比如8 至 10 倍太阳质量的主序星规模已大到足以将核心处的碳聚变为氖和镁，最终将形成一颗氧氖镁白矮星。如果质量足够大能聚变到铁，因为无法再释放聚变能量，电子简并压也无法对抗引力，会引起突然而毁灭性的坍塌，释放剩余引力势能，产生一次剧烈爆炸，形成超新星。超新星爆发极其明亮，能够照亮其所在的整个星系，持续时间可达数周甚至数年之久，并辐射巨量能量（与太阳一生辐射能力相当）。同时，还会把恒星绝大部分物质往外高速抛散，形成丝状气体云和气壳，被称为超新星遗迹。这些物质补充到分子星云内，继续参与下一代恒星的演化，所以越晚诞生的恒星所包含元素就会越丰富。超新星爆发后的残余核心将形成中子星（中子简并压能抵抗引力）或黑洞（中子简并压都抵抗不了引力）。
  

金牛座的蟹状星云，被认为是超新星爆发后的残骸，1050 年左右首次被发现

白矮星，温度很高，会通过辐射损失热能，当白矮星逐渐冷却，不再发光发热时，称为黑矮星。因为白矮星达到这种状态所需的时间非常长，超过了当前的宇宙年龄，所以目前并未发现黑矮星。
简并压力/电子简并压力/中子简并压力：根据量子力学的泡利不相容原理（在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，中子、质子、电子都是费米子），粒子间的相互排斥力，称为简并压力。电子之间的简并压力就称为电子简并压力，中子之间的简并压力就称为中子简并压力。
恒星演化的本质，就是抵抗引力坍缩。最初在引力作用下坍缩形成原恒星，以核聚变对抗引力时就是主序星，核聚变结束后，以电子简并压对抗引力坍缩达到平衡的就是白矮星，压力再大会把电子压入质子成为中子，以中子简并压对抗引力坍缩达到平衡的就是中子星，如果压力大到中子简并压都无法对抗，就无限坍缩形成黑洞。



恒星演化1



恒星演化2



恒星演化3

宇宙演化




宇宙演化主要就是恒星的演化，恒星为宇宙提供了能源，提供了各种元素，来组成行星，诞生生命。
(1)宇宙大爆炸
奇点至密至热，某一刻这个点爆炸了，炸出来一堆基本粒子，如质子、电子、中微子等，此时没有恒星、没有行星。
基本粒子在物理定律作用下形成原子，最容易的是质子（带正电）和电子（带负电）组成的氢原子，还有一些氦原子（质子都在正电有斥力，质子越多难度越大）。此时宇宙中绝大部分都是氢原子和氦原子，其中氢原子是绝大部分中的大部分。
在万有引力作用下，原子们互相吸引形成气团，质量越大引力就越大，马太效应下，气团越变越大，最终形成大团大团的氢气团。
(2)原恒星形成
气团聚集，质量变大，引力变大，气团体积被压缩，距离更近，引力进一步变大，压力越来越大，直到气团核心原子发生核聚变。
核聚变会释放巨大的能量，并且发光发热，反过来会使气体膨胀，当参与核聚变的原子增多，使得引力和膨胀平衡时就形成了原恒星云。
(3)褐矮星的演化
低于0.08倍太阳质量的原恒星，核心温度1000万K以下，聚变反应不剧烈，不足以让整个星体燃烧，并很快停止，称为褐矮星，也叫失败的恒星。褐矮星不发光发热，但是质量比一般行星要大很多，也能捕获一些行星围绕旋转。
(4)红矮星的演化
0.08-0.5倍太阳质量之间的原恒星，核心温度可达数千万K，能正常聚变到氦，但也并不剧烈，表面温度低、颜色偏红，称为红矮星，比如比邻星。红矮星寿命很长，已经超过当前宇宙年龄，理论上核聚变结束后核心会称为氦白矮星。
(5)小质量恒星的演化
0.5-8倍太阳质量之间的原恒星，核心温度超过1亿K，能正常聚变到碳和氧，颜色偏黄，称为小质量恒星，也叫做类太阳恒星。在主序星结束后演化成红巨星，依次进行更重核聚变到没法再进行的时候，排出大部分外层物质形成行星状星云，核心变成碳氧白矮星。
(6)大质量恒星的演化
超过8倍太阳质量的原恒星，核心温度能超过8亿K，能正常聚变到铁，颜色偏蓝，称为大质量恒星。氢核聚变结束后，大质量恒星会演化成超红巨星，超红巨星会继续更重元素的核聚变，达到铁时发生超新星爆发，绝大部分物质形成超新星遗迹，核心形成中子星或黑洞。
(7)行星的演化
行星就是不发光发热，围绕恒星运行的天体。
行星是伴随恒星而形成的，在原恒星形成后，会吸引周围的尘埃和气体（吸集），形成原行星盘，原行星盘随着原恒星公转，当原恒星吸收了足够的物质开始核聚变进入主序星后，剩余的原行星盘就会自己汇聚成行星。
分子云中形成的气团，如果质量不大，收缩了但压力不足够触发核聚变，运气好也没有被吞噬，最后被原恒星捕获，成为原行星盘的一部分，吸引轨道附近的其它分子云和尘成为气态行星，比如木星。
另外原行星盘上的尘埃也因引力而汇聚，形成固态核心，并吸引附近轨道的分子云和尘成，就会成为固态行星，比如地球。
一个恒星的形成过程中，会在原行星盘不同区域同时形成多颗行星，未能汇聚的会成为小行星。在恒星进入主序星阶段后，行星如果条件合适会成为诞生生命的摇篮。在恒星演化的过程中，行星可能会被恒星膨胀吞噬，也可能被超新星爆发撕碎，或者只是守着一个熄灭的太阳一直公转下去。
氦闪

如果恒星质量在0.8~2.0倍太阳质量之间，在氢核聚变结束后，核心温度不够氦聚变，没有足够的能量抵抗引力坍缩，会导致氦被压缩成简并态，核心温度也在收缩下逐渐提高。当核心温度达到氦聚变要求时，处于简并态的氦会发生剧烈的氦聚变，使恒星短时间内释放百万倍正常恒星的能量，膨胀成为红巨星，氦核消除简并状态，继续稳定的进行氦聚变。这个剧烈而短暂氦聚变就是氦闪，科幻小说《流浪地球》的背景，就是太阳要氦闪吞噬地球，所以地球要流浪。