恒星大小是否有限制，頂級能到多大，直徑能超過一光年嗎？

常有人覺得我們太陽太小了，老問：宇宙中有沒有直徑超過1光年的恒星？我可以肯定干脆地回答，沒有。為什么呢？我們一起來討論。

恒星穩(wěn)定的前提是內(nèi)外壓差的平衡。天體由于自身巨大質量形成的引力向心壓力，內(nèi)部的高壓和高溫點燃了熱核聚變，持續(xù)進行的核聚變，產(chǎn)生的巨大能量以電磁輻射的方式向外傳播，由此而發(fā)光發(fā)熱，這就是恒星。恒星中心核聚變巨大輻射壓，抵御住了本身質量的引力向心收縮壓，使其內(nèi)外壓保持一個平衡穩(wěn)定狀態(tài)。

這種平衡能夠維持多久，決定了這顆恒星的壽命有多久。如果這種平衡被打破，這顆恒星就會變得極不穩(wěn)定，無法維持恒星的穩(wěn)定狀態(tài)，很快就會解體。研究證明，恒星壽命長短完全取決于質量，質量越大，壽命越短；反之壽命越長。

恒星有一個質量最小下限，這是因為天體沒有達到一定質量，核心部分的壓力和溫度達不到點燃核聚變的條件，就不會成為恒星。這個質量下限是太陽質量的0.8%左右，相當木星質量的80倍；恒星的質量上限就是“愛丁頓極限”，現(xiàn)在認為約300倍太陽質量。

因此，恒星上限受“愛丁頓極限”限制。英國天體物理學家、數(shù)學家亞瑟·斯坦利·愛丁頓爵士，是最早接受并理解愛因斯坦相對論的科學家，為了驗證愛因斯坦認為光線經(jīng)過太陽時，會受到太陽引力而彎曲的預言，他于1919年5月率領一支科學考察隊遠涉非洲觀測日全食，驗證了這個預言的正確，引起了世界科學界轟動，廣義相對論從此聲名鵲起，成為物理學界頂級基礎理論。

“愛丁頓極限”理論就是愛丁頓爵士創(chuàng)建的。這個理論認為，在球對稱前提下的天體，輻射壓力不能超過引力承受的光度上限。所謂光度上限，就是輻射壓上限。恒星質量越大，核心受到的壓力就會越大，在這種壓力下，核聚變就會越劇烈，這樣形成的輻射壓就會越大，超過了上限值，輻射壓就會將外層物質沖散，恒星就難以將外圍物質聚攏，恒星就會解體。

人們開始認為，恒星質量一般不會超過太陽質量的150倍。隨著對宇宙恒星觀測的深入，發(fā)現(xiàn)宇宙中存在不少大于太陽質量150倍的恒星。不過這些恒星都處于不穩(wěn)定狀態(tài)，外圍物質不斷逃逸，驗證了恒星質量的確存在一個“愛丁頓極限”。

迄今發(fā)現(xiàn)最大質量的恒星是r136a1，其質量達到太陽的265倍~315倍，這說明宇宙中最大質量恒星可以達到300個太陽質量。

觀測發(fā)現(xiàn)，r136a1外圍物質極不穩(wěn)定，幾十萬年間已經(jīng)逃逸流失了相當50個太陽質量的物質，而這顆恒星的年齡才有170萬歲，由此說明這種大質量恒星幾乎是一誕生，就處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。

r136a1的直徑約太陽的28.8~35.4倍，即便按照太陽35倍計算，直徑也只有4900萬千米。1光年尺度為9.46萬億千米，r136a1的直徑只有1光年的約2萬分之一。

一般來說，恒星演化后期中小質量恒星膨脹得更大。一些質量遠低于r136a1的恒星，但由于其密度小，因此體積很大。迄今發(fā)現(xiàn)最大體積恒星史蒂文森2-18，直徑達到太陽2158倍，也就是約30億千米，即便如此，也只有約3153分之一光年。這顆恒星相當100億個太陽的體積，可以裝下1.3億億個地球；盾牌座uy的直徑達到太陽的1708倍。

但這些最大體積恒星質量反而不大，如史蒂文森2-18只有太陽質量的17.9倍，而盾牌座uy只有太陽質量的10倍。這些質量在太陽8~30倍之間的恒星，演化后期會有一個紅超巨星階段，外圍質量逐漸流失，很不穩(wěn)定，超新星爆發(fā)是它們最后結局，中心會留下一個致密的中子星。

海山二的質量是太陽的120~200倍，已經(jīng)處于極不穩(wěn)定的演化后期，隨時都有可能爆發(fā)。但其直徑也就是太陽的240倍左右，比前面說的史蒂文森2-18和盾牌座uy小多了。中等質量恒星在早期主序星階段體積并不大，只是演化后期才會膨脹。而更大質量恒星反而等不到膨脹到很大，就因為中心劇烈的熱核反應失控而爆炸了，中心會留下一個黑洞。

那么，恒星質量雖然有限制，體積可以無限放大嗎？這是肯定不行的。實際上史蒂文森2-18和盾牌座uy等恒星的體積已經(jīng)大到極限了，它們表面引力已經(jīng)很小很小了。這一點，通過恒星表面重力加速度的大小就可以看出。

重力加速度計算公式為g=GM/r^2，其中g為天體表面重力加速度，單位為m/s^2；G為引力常量，取值約6.67x11^-11N·m^2/kg^2；r為天體半徑，單位m。

根據(jù)公式計算，太陽表面重力加速度為275m/s^2，地球表面重力加速度為9.8m/s^2，而盾牌座uy表面重力加速度只有約0.0009m/s^2，比地球小10000倍。而這顆恒星密度只有太陽密度的4.5億分之一，地球密度的約18億分之一，比地球地表空氣密度還小數(shù)十萬倍，這樣的恒星依靠引力已經(jīng)很難拉住表面活躍氣體流失了。

事實上這種恒星本來就是演化晚期，質量正在流失的恒星。根據(jù)恒星演化規(guī)律，大于太陽質量8倍的恒星，最終等不到外圍氣體消散掉，就會發(fā)生超新星大爆炸，把自己炸得粉碎，中心留下一個致密的核，這就是中子星，大于太陽30~40倍的恒星，爆發(fā)后中心會留下一個黑洞。

宇宙最大的單個天體是黑洞。像r136a1這種極大質量恒星，由于其核心核聚變劇烈程度與引力壓不平衡，導致恒星處于不穩(wěn)定狀態(tài)，壽命極短，一般只有幾百萬年壽命，不會超過1000萬年。而太陽壽命可達100億年，現(xiàn)在已經(jīng)50億歲了，r136a1壽命只有300萬年左右，現(xiàn)在170萬歲了，質量就已經(jīng)大量流失了，因此這種恒星不可能發(fā)展到像盾牌座uy這樣體積超大的紅超巨星階段。

大量觀測驗證了愛丁頓極限理論的正確，現(xiàn)在天文學家們認為，恒星最大極限在300個太陽質量左右，大于這個質量的恒星無法在宇宙中存續(xù)下去。因此，宇宙中不可能存在1光年直徑的恒星。

目前宇宙最大的單個天體是黑洞。黑洞是恒星的頂級尸骸，而且通吃宇宙中的一切天體，越吃越胖，越長越大，上不封頂?，F(xiàn)在已知最大黑洞叫SDSS J140821.67+025733.2，質量是太陽的1960億倍，其史瓦西半徑可達5880億千米，是1光年尺度的1/16。理論上黑洞質量沒有上限，今后會不會發(fā)現(xiàn)超過1光年直徑的黑洞呢？難以預料。

如果真有超過1光年直徑的黑洞存在，那這個黑洞的質量將超過3萬億個太陽，相當15個銀河系總質量，恐怖吧？

就是這樣，歡迎討論，感謝閱讀。

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