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点击 145回答 4 2022-07-25 09:32 IP属地 局域网

为什么有人说白矮星中心都是“钻石”?

已解决 悬赏分:10 - 解决时间 2022-07-25 23:51
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  • 匿名
支持 0 反对 0 举报 2022-07-25 10:19 IP属地 局域网

白矮星是宇宙中的大密度天体,这种星体常被认为中间裹着一颗“大钻石”,真的是这样吗?

像太阳这样中等质量的恒星演变到晚年的时候最终会演变成白矮星,这种星体的密度之大仅次于黑洞和中子星,每立方厘米的密度在100公斤到10吨之间,其个头还没有地球大,但是质量却和太阳相差无几,由于发出的光特别接近纯白色,所以被称为白矮星,那么为啥白矮星的中心会有一颗“大钻石”呢?

说白矮星的中心有一颗大钻石,其实指的是它的中心有一个碳核,这个碳核的直径可达数百或到数千公里,如果说它是一个“大钻石”的话,那么这个钻石真的是够大了,然而这样的说法其实是不严谨的。

像太阳这样的恒星结束氢聚变反应之后,将在核心进行氦聚变,在氦燃烧成碳和氧的三氦聚变过程中膨胀成为一颗红巨星,而当红巨星的外部区域向外膨胀时,氦核却在受反作用力向里面强烈收缩,所以其中心会产生极高的压力和上亿摄氏度的温度,氦元素在这种条件之下进一步聚变,生成碳元素等,温度更高,压力更大的白矮星内部可以形成氮、氧、钠、镁、铝、硅、磷等,氦核聚变可以进行几百万年,恒星外围的氢元素等物质会被抛散出去,内部凝聚成一颗白矮星,由于碳和氧是形成白矮星的重要元素,大量碳元素存在于白矮星的内部,所以都认为白矮星里面有一个巨大的碳核,另外也有主要有氦和氧元素等组成的白矮星。

虽然白矮星的内部是一个碳核,但是我们并不能认为它一定就是形成钻石的原材料,碳在自然界中存在有多种同素异形体──金刚石、石墨、石墨烯,碳纳米管,C60(足球烯),六方晶系陨石钻石(蓝丝黛尔石)等,自然界中常见的富含碳元素的物质有很多,结晶碳包括金刚石(钻石原料)和石墨,除了金刚石、石墨、二氧化碳、一氧化碳之外,还有植物形成的木炭和煤炭(无定型碳),动植物的躯体中碳元素的含量也非常高,而以碳元素为原料的无数化合物也是我们日常生活中不可缺少的物质,比如尼龙等塑料、汽油柴油等燃料,另外还有布匹、鞋油,香水和炸药等,可以说是应用广泛种类繁多。

白矮星上虽然有极多的碳元素,但它们其实是都属于电子简并态,原子间的空隙已经大大压缩,这种物质非常致密,它也并非我们常说的固态物质,而且它不同于我们所常见的任何一种物质,和钻石有着本质的区别,其本身是碳元素物质非常致密下的一种形态,实为一种单独的物质,如果非要有一种说法来称呼它们的话,只能说它是电子简并态的碳元素物质,这种状态下的物质,我们是很难目睹的。

那么这种碳元素物质如果脱离了电子简并态之后会变成钻石吗?前面已经说了,自然界常见的碳元素物质有金刚石、石墨等,而石墨烯,碳纳米管,C60,六方晶系陨石钻石等十分少见,所以白矮星中的碳元素如果脱离了白矮星后,在形成金刚石这种坚硬物质的同时,也有可能形成石墨,然而石墨却是自然界最软的物质之一,但也有极小的几率形成石墨烯,碳纳米管,C60,六方晶系陨石钻石等,但相对会十分少见。

  • 匿名
支持 0 反对 0 举报 2022-07-25 11:09 IP属地 局域网

图:白矮星

白矮星是中低质量的恒星演化到末期后的产物。在恒星通过核聚变将核心处的氢转换氦后,其内部发生重力坍缩,坍缩后的核心压力和温度降急剧上升,达到了点燃氦核聚变反应的条件。图:3氦过程

此时氦经过一个叫“3氦过程”的核聚变将氦转换成了碳,碳有可能还会和氦发生核聚变生成氧元素。在这个过程中会释放出强大的能量抵抗住重力坍缩。恒星也演化成一个红巨星。太阳在这个阶段会膨胀到地球的轨道,并损失大量的质量。

在将核心处的氦聚变为碳和氧后,再一次发生重力坍缩,由于中低质量的恒星坍缩能产生压力有限,不足以点燃碳的核聚变。坍缩的压力将碳、氧元素的电子压入最低能级,形成所谓的“电子简并态”。

图:氦原子结构示意图,可见其原子核只占原子体积的极小空间

此时,抵抗重力坍缩的力就是电子简并压。电子简并压是泡利不相容原理提供的压力。即:两个电子不能处于相同的量子态。这个力也是有极限的,它只能抵抗最多1.4个太阳质量(钱德拉塞卡极限)产生的重力坍缩压力。

处于电子简并态的白矮星的密度达到了每立方厘米1吨。虽然它和钻石一样,也主要由碳构成,但其原子排列方式与钻石完全不一样。钻石是碳元素排列是正八面体晶体结构,而白矮星的碳元素是原子核相互紧挨着的。所以不能说白矮星是一个大钻石。

图:钻石的正八面体晶体结构

碳元素的不同排列方式能够构成不同的宏观物质,比如说煤炭(无定形碳)、石墨、钻石等。

图:钻石

图:石墨

  • 匿名
支持 0 反对 0 举报 2022-07-25 11:41 IP属地 局域网

猜的啊!反正没办法证明,有的只是推导。

  • 匿名
支持 0 反对 0 举报 2022-07-25 13:03 IP属地 局域网

没有错误啊。

白矮星的核心部分就是碳的晶体。理解为金刚石也没有什么问题。

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