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宇宙空间对于我们宏观意义上来理解的话，那么它是空无一物的存在，假如一罐氢气泄漏入宇宙，想找回来可就难了，因为在几乎零的大气压下，气体扩散会无限扩散，一直达当前宇宙的临界密度。那么问题来了，都说恒星是宇宙大爆炸的原初气体或者超新星爆发后的星云坍缩而成，这些物质为什么不会无限扩散，反而能形成无数恒星呢？下面我们来简单探讨下这个看起来非常有趣的话题。

一、宇宙的临界密度

宇宙暴涨论是现代宇宙诞生的主流科学理论，在这个过程中所表现出来的就是引力和斥力之间的争夺，万有引力定律告诉我们，物质会产生引力组织天体进一步远离，当然如果可能的话它还会因此靠近，最终的导向如何取决于宇宙中物质的密度的大小！

观测到的宇宙是平坦的

根据欧空局普朗克卫星对如下几个方面的观测：

宇宙微波背景辐射

重子声速振荡

引力透镜

三者的观测相结合，发现当前宇宙平坦为0001±0006，即从当前观测看来，宇宙在6‰的精度上仍然是非常平坦的

上图公式是以此为依据从爱因斯坦广义相对论中推导出的宇宙临界密度计算公式：

H是哈勃参数（哈勃常数是指哈勃参数现在的数值，它会随时间改变）

G是万有引力常数（这个数值不变）

假设以WMAP在2006年测得的70千米/秒/百万秒差距计算，宇宙的临界密度为36×10^-30g/cm^3，这个比例算起来大概每立方米只有一个质子的质量！

这个临界密度表示什么意义？简单一点说，如果宇宙平局密度小于这个密度，那么膨胀不可避免，宇宙将是开放式的，如果宇宙平均密度大于这个密度，那么未来可能会趋向于收缩！如果是等于，那么宇宙将保持在恐怖的临界状态，而理论上任何细微的扰动都可能打破这个平衡，继而走向膨胀或者坍缩。

二、星云坍缩与恒星诞生的秘密

上文我们了解了宇宙的临界密度，接着我们来看看诞生出恒星与行星的星云，它们来自哪里，又为什么会坍缩？为什么又有那么多星云没有坍缩？

1、星云的来源

星云的来源有几种，宇宙大爆炸时期的原初星云，从暴涨时代的高温下降后，从夸克胶子浆中形成的中子与质子结合，形成氢、氦以及少量锂原子核，而在温度进一步降低后电子和原子核结合成原子（包括氢、氦以及锂元素），形成弥漫的星云。

另一种则是从这些星云中形成的恒星发展而来，大质量恒星晚期会形成超行星状星云以及超新星等，会将恒星整个生涯中积累的大量元素（质量越高，产生元素越多越重）通过超新星爆发扩散成尘埃云，但由于恒星存在辐射层结构，大部分的氢元素没有燃烧，因此又重新回归宇宙，成为下一代恒星的来源。

2、星云为什么会坍缩

其实星云的密度还不如月球表面气体原子密度，月球表面每立方厘米的空间中有超过10^6个原子，在地球附近的太阳系内宇宙空间有数十个原子/立方厘米，而在本星际星云中则只有03个原子/立方厘米！但这依然比宇宙的临界密度高数十万倍，因此理论上这些原子之间仍然存在引力坍缩的可能！

问题来了：为什么这些星云还没有坍缩？

引起星云坍缩的是金斯不稳定性，这有两种因素，一种是星云内部满足金斯不稳定条件，另一种星云受到附近恒星级能量爆发的影响满足金斯不稳定性条件，比如超新星或者中子星合并等天文事件。

金斯不稳定性

当尘埃云的热运动扩散动力不足以抵抗引力时星云会发生坍缩，有如下两个条件：

受到超新星扰动密度区域长度大于金斯长度时，会发生引力坍缩

尘埃云密度大于金斯密度或质量大于金斯质量时，也会发生引力坍缩

当然这些条件并不是所有星云都能满足，或者说一处星云内部已经有多处满足这个要求，比如我们能观测到著名星云-猎户座的M42则早已是银河系内首屈一指的恒星工厂。

3、恒星的诞生

我们看不到太阳系诞生的过程，但在距离地球1400光年以外的猎户座星云却是太阳系诞生过程最好写照，在星云内部，由于金斯不稳定性，出现了多处坍缩，在每一个坍缩区都有可能形成一个恒星系！

上图国家地理纪录片《旅行到宇宙边缘》猎户座星云大工厂的部分情节GIF截图，制作非常精美，类似的情节在《哈勃太空望远镜》也有描述，后者更为详尽，因为是3D版本，对M42的3D结构做了非常详尽的表现。

博克球状体

尘埃云的某处一旦开始坍缩，密集区域就会形成博克球状体，这是在恒星形成早期出现的高密度区域，一般典型的大小为一光年左右，质量约为太阳的10-50倍，这也是联星和聚星系统形成的区域

博克球状体：它很像某种昆虫的茧，是星云早期坍缩开始形成恒星的重要标志，荷兰裔美国天文学家巴特·博克在1940年首次发现，但直到1990年才通过分析近红外波段才证实恒星在博克球状体内诞生。

上图是著名的船底座星云的悬浮博克球状体，在船底座星云内部，博克球状体处处可见，在船底座星云中的恒星伊塔的辐射电离下，加上多个波段曝光后合成的博克球状体图像有一种不真实的梦幻感！

星云中的湍流

但在这个过程中，也会因为星云开始坍缩后的湍流增加导致某些星云团块碎裂，如果这些碎裂的团块质量仍然超过金斯质量，那么这些分裂的团块内部仍然可能诞生恒星。在这里有一个有趣的现象，因为星云坍缩后会导致湍流结构，因此某些团块可能会流体动力效应而被驱逐出星云，形成奇特的现象：逃离星云的原恒星。

原恒星的诞生

当博克球状体继续坍缩，密度的增加会将引力势能转换为热能，内核温度上升。当然原恒星逐渐达到流体静力平衡时（天体热压力与引力平衡的状态），原恒星就在引力中心形成了，一般情况下，原恒星周围都存在尘埃盘，因为还会继续收缩！

2014年9月，偶走南方天文台阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列对距离地球460光年的金牛座年轻恒星星HL Tauri进行了持续成像观测，从上图处理后的原行星盘中可以清晰看到同心结构已经形成，每一个同心圆都有表示有行星正在成型。

阿塔卡马毫米/亚毫米波阵列在240 GHz尘埃连续谱观测到的20个原行星盘。

三、宇宙未来的趋势，膨胀还是坍缩，还是维持现状？

星云的坍缩，恒星的形成不过是宇宙各个角落正在诞生的无数故事中的一个，那么整体宇宙未来的命运如何呢？我们是否能根据临界密度来做一个判断吗？

根据可观测宇宙的大小以及观测到的物质计算得到的密度只有2×10^-31g/cm^3，似乎差了一个数量级，但这仅仅包含可观测的显物质，根据宇宙物质模型，还有268%的暗物质

加上暗物质比例，再修正哈勃常数的差异，当前宇宙平均密度与临界密度几乎相差无几，那么宇宙的未来到底如何？吃瓜群众很是期待，在线急等。

空间曲率K与宇宙学常数Λ

“宇宙学常数Λ，曾经是爱因斯坦引入的概念，在与哈勃的交流后抛弃了宇宙常数，但勒梅特又“非正式”的将它请了回来，而根据现代宇宙学的发展，似乎又要给它一个正式的名分”

宇宙的形态是由这两个参数所决定的，K=0时是欧几里得空间（平直空间），Λ=0表示静态，Λ>0表示斥力，Λ<0表示引力！那么整体上所有的组合就如下图：

在几个可能中，临界状态是最不可能的，因为任何的扰动都会导致宇宙失去这个临界平衡的状态！而在1998年，美国加州大学伯克利分校索尔·波尔马特和澳大利亚国立大学布莱恩·施密特领导的两个小组分别通过对Ia型超新星进行测距时，不约而同的发现了宇宙正在加速膨胀。这个观测证实了一个由来已久的猜想，宇宙正走向热寂！

加速膨胀的结果就是我们的可观测宇宙会有一个视界（这和黑洞的视界有所不同），因为遥远的宇宙边缘星系正以超过光的速度远离，如果仅凭现当前的电磁波以及引力波观测手段，将永远都不可能了解视界以外的宇宙。

​公元1054年，3月的某个清晨，宋朝司天监（当时的国家天文台）在东方天关（金牛座附近）发现了一颗客星。

如是记载：“昼见如太白，芒角四出，色赤白。”

这颗星闪耀了23个白昼，在653个夜里还能肉眼可见。

677年过去后，英国一位天文爱好者约翰·贝维斯(JohnBevis)再次在金牛座附近发现了，不过它已变成了一团“模糊”的白色星云。

又过了20多年，一个叫查尔斯·梅西耶(CharlesMessier)的法国天文学家，对这些星云产生了极大的兴趣，为了打发时间编辑出了大名鼎鼎的 “梅西耶星团星云列表” 。1758年，他将这个星云命名为M1，作为第一个标本收藏进他的列表中。

这就是我们如今所熟知的1054年超新星爆发的遗迹， 蟹状星云 。

而它真正的主体其实是藏在星云中，每33毫秒闪耀一次的一颗中子星（Neutron star）。

中子星作为大质量恒星陨落后的核心，代表了一种极限的简并物质，我们到底对它知道多少呢？

中子星是中子简并力与天体重力平衡后的产物。

中子简并力源于在极致狭隘的空间内中子高速的运动，与简并状态下电子的运动方式相同。

不过中子质量约为电子质量的1800倍，为了使简并中子具有与简并电子相同的速度，中子星中的中子之间的距离必须小于白矮星中的电子之间距离的1/1800，而同等质量的白矮星的半径大约是中子星半径的1000倍。

理论上来说，中子星的经典半径为10公里。一个两倍太阳质量的中子星密度大约是10^18千克每立方米，约是白矮星的10亿倍。

虽然，我们知道中子星是大质量恒星塌缩后的核心，但中子星的核心是什么我们还不知道。

不过有人认为中子星的核心由 介子 （强相互作用的传播粒子）或无束缚的 夸克 （构成质子、中子的基本粒子）构成。 如今关于致密物质的理论，由于缺少对中子星核心性质的了解，相互之间存在着各种偏差，在各种理论体系下，对中子简并压力也有不一样的修正。因此，我们其实并不确定中子星的具体大小。

比如，对于一颗144倍太阳质量的中子星，就有两个合理却不同的大小理论值。一个预测半径为10公里，一个预测半径为20公里。

具体哪个正确？由于无法测量，也就无法确定。

正如一颗白矮星的质量不能超过144倍太阳质量，中子星也应有一个类似的极限质量。虽然大多以32倍太阳质量作为中子星上限（奥本海默极限），但由于有关密度的物态方程还不确定，所以中子星的质量上限实际上并不确定。

20世纪30年代，瓦尔特·巴德（Walter Baade）和弗里兹·茨维基（Fritz Zwicky）首次从理论上预测了中子星。

但当时物理学界普遍认为它“太假了”，并以“建立在不可靠的计算基础上”来反驳它。

直到1967年8月，英国剑桥大学24岁的博士研究生乔斯林·贝尔(JocelynBell)发现了一颗 脉冲星 （Pulsar），而它不过是中子星的另一个名字。

当时，贝尔为了她 的博士论文，正在用一台新的射电望远镜扫描天空，结果在狐狸座方向发现了一个非常有规律的周期脉冲信号。她和她的导师安东尼·休伊什(Antony Hewish)一度戏称：“这是外星人的来电”，并把信号命名为LGM（Little Green Men）即小绿人。这是当时英国科幻小说里外星人的经典形象。

随后，随着类似信号的发现，他们确定了这源自一种特殊天体，一种会发射脉冲信号的天体，随即命名为脉冲星。

脉冲星的信号很独特，它们有两个显著特点：

一、脉冲周期稳定且精准。贝尔发现的第一颗脉冲星，周期就可精准到小数点后11位，133730119227秒。有的脉冲星甚至可以精确到百亿分之一秒。

二、脉冲周期都很短。一般只有1秒左右，最长也不过几秒。2004年11月10日，荷兰阿姆斯特丹大学的詹姆斯·海塞（Jason Hessels）发现了一颗脉冲周期仅为14毫秒的脉冲星，即1秒钟变化716个周期。

脉冲星的这两个特点，都源自中子星的自转和磁场。

我们知道中子星来源于恒星塌缩。

而在塌缩的过程中，由于 角动量守恒 ，天体半径的减少势必增加其旋转速度。这就像花样滑冰员急速旋转需要收缩手臂一样。

这种塌缩到底能使旋转增速到何种程度？以太阳为例。

太阳自转一周的时间大致是25天，而一个典型的中子星大约比太阳小5个数量级（1/10^5）。如果把太阳塌缩到一个典型中子星大小，它的自转周期会变成现在的10^-10，即大约02毫秒。

当然，一颗中子星的自转周期不可能达到02毫秒，因为任何旋转的物体不能旋转得太快，否则就会被“离心力”撕裂。而中子星的理论极限自转周期大约是05毫秒。

海塞发现的那颗脉冲星，是已知自转速度最快的中子星，其自转周期仅极限周期的三倍。

同时，中子星还有强大的磁场。由于 磁通量守恒 ，磁场强度与天体半径的平方成反比。也就是说，如果太阳塌陷到中子星的大小，那么它的磁场将增至100亿倍。

中子星的典型磁场一般比太阳的磁场强万亿倍，如果一颗中子星的磁场有太阳磁场的百万亿倍，这种超强磁场中子星被称为磁星（Magnetars）。

由于中子星强大的磁场，在中子星内部，电磁力会撕裂表面上的电子。电子被磁场俘获后，会沿着指向南北磁极的方向以漏斗状被喷射出，并形成辐射束。

贝尔发现的“小绿人信号”就是这些辐射束。由于磁极通常不与自旋轴对齐，有些中子星在自旋过程中使它的辐射束扫过地球时，就成为了我们检测到的脉冲。这种有规律的周期脉冲，使得脉冲星成为了宇宙中的灯塔与计时器。

不过随着时间的推移，这些辐射会使中子星不断失去能量。能量的损失会导致中子星的自旋减慢。这意味着它的自旋周期必定随时间缓慢增加。

然而，如果中子星是在一个双星系统中，情况就会发生变化。物质可以通过吸积盘从伴星流向中子星。当物质从吸积盘落到中子星上时，会给中子星增加质量和角动量。这又会慢慢地使中子星旋转得更快。

另外，由于吸积盘十分热，被倾倒它上面的氢和氦有时会发生小规模的核爆炸，引起X射线爆发。当这种核爆炸发生在一个小区域时，爆炸会随着自旋周期有频次的发生，像闪烁一样。

中子星作为迄今为止天文学家可以观测到的最致密的天体，可以说是代表着物质的极限密度。对它最大极限质量的准确把握，是判断最小黑洞的一个重要依据。

总之，所有的磁星几乎都是新锻造的脉冲星，而所有的脉冲星都能充当我们 探索 宇宙的灯塔。

每一秒钟在宇宙的某个地方都会发生超新星爆发即使它们的距离极为遥远,这一恒星灾变现象仍能为我们提供有关恒星形成的重要信息其抛射出几个太阳质量的恒星碎片丰富了星际空间中重元素和放射性元素的含量

尽管超新星非常的明亮,但是超新星爆发的能量仅仅是整个事件能量释放的冰山一角理论预言当爆发恒星的铁核坍缩成中子星或者黑洞时,中微子带走了绝大多数的引力结合能对超新星1987A的中微子观测证实了这一预言通常情况下,总能量中只有1%转化成了喷出物的动能,而其中又只有很少的一部分转化成了电磁辐射

能量是怎样从坍缩的致密核传递到被抛射的物质上去的呢了解超新星爆发的驱动力对于预测超新星遗迹的质量、爆发的能量以及核合成的产物至关重要因此有必要在大质量恒星的特质和超新星的观测之间建立起理论联系但不幸的是,目前观测还无法解释在恒星坍缩核中所发生的物理过程

未来通过对银河系中超新星的中微子和引力波观测将会为我们提供必要的数据但是现在我们对超新星的认识都来自数值模拟和分析尽管已经研究了30多年,而且计算模型也越来越复杂,但是仍没有取得令人满意的结果

当高能光子把铁核团打碎成单个粒子和核子（质子和中子）时,恒星的铁核就会出现引力不稳定这时,核子和自由质子就会俘获电子,进而使压力大幅度下降,而且产生大量的中微子后者可以毫无阻碍的离开恒星,直到密度上升为止在1秒钟之内,恒星内部核区就会坍缩至核密度,但是由于核子简并和核力排斥作用会阻止其进一步的坍缩此时,会产生一个流体动力学激波,并且通过仍在超声速下落的外部核区向外传播一般认为这一激波并不会直接导致超新星爆发由于铁核的光致蜕变和中微子辐射,激波会损失大量的能量,因此导致在半径100-200km处失速

但是仅仅几分之一秒之后,情况就发生了变化激波之后的温度会大幅度下降,以至于离开刚诞生的中子星的大量高能中微子会被后激波层中的自由核子所吸收如果这一能量传递达到一定程度,就会释放出原来已经失速的激波,导致一次“延迟”的爆发因为激波的最终命运取决于这些物理过程之间的强弱对比,所以需要更详尽的计算模型来确定由中微子传递给激波的能量是否足以导致超新星爆发

威尔逊（Wilson）和梅勒（Mayle）通过使用两个假设成功模拟了这一中微子驱动的爆发,但是这两个假设还没有被普遍接受他们假设中子星中的对流混合过程加速了中微子辐射另外,他们认为为了得到所观测到的爆发能量,在中子星介质中会出现高密度的π介子（产生于夸克和反夸克之间的强相互作用基本粒子）这两个假设都有利于导致超新星爆发,因为中微子所传递的能量会随着中微子数目和其本身能量的增大而增大

但是这一模型也忽略了一些重要的物理过程,正如超新星1987A的光谱观测所显示的,爆发中放射性元素镍以出乎意料的高速运动这一观测预示大尺度的喷流携带着物质从中子星进入爆发恒星的外部壳层多维模拟确实显示了在新诞生的中子星与超新星激波（那儿由于中微子加热而形成了一个对流不稳定层）之间的强烈瓦解作用而且,中子星发出的大量中微子以及上升的高温物质也帮助激波进一步的向外传播这两个效应对于先前描述的延迟爆发机制至关重要

最近,进行了首次三维模型的计算,这是超新星模型中的又一个里程碑其证实了先前二维模型的结果蘑菇状（见图）的结构开始出现,然后发展成大尺度的结构由于子扰动,中微子驱动的后激波对流可以解释超新星爆发中核合成产物分布的各向异性加上自转,它也可能会形成非对称的球体,以及观测到的年轻脉冲星所具有的极大反冲速度

[说明]：超新星的三维模拟这张透视图显示了新诞生的中子星中的对流混合过程流体动力学不稳定性导致了蘑菇状结构的产生不同的颜色代表了在一个恒定质子-中子比例面上不同的流体熵的值（蓝色低,红色高）

但是,目前还没有模拟能精确证明中微子加热机制是完全正确的在最好的二维、三维模型中,有关中微子的物理过程仍是被大大简化的其中的恒星会以极高的速度爆发,留下一个较小的中子星,同时抛射出大量的锶、钇和锆,但是其丰度与银河系中所观测到的并不相符中微子主导了超新星爆发的能量,而且决定了核合成的结果精确描述中微子的输运和相互作用将有助于解决这些问题

通过整合牛顿和广义相对论流体动力学模型中的中微子输运玻尔兹曼方程,可以获得新的结果但是在球对称（一维）模型中没有出现超新星爆发的结果

下一步就是在二维和三维模型中加入这一对中微子更精确的处理方法,同时也要进一步改进中微子在高密度物质中互相作用的有关方程对于高温中子星的研究也十分有价值,而且超新星爆发中磁场的作用也需要进一步的研究只有囊括了所有这些问题,我们才有可能获得大质量恒星爆发的标准模型

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