宇宙中的一切都会因质量的持续增加而发生变化。

仅一个参数就划定了岩质行星、气态巨行星、棕矮星、恒星等之间的分界线。以下是质量为何重要的原因。

这张WISPIT2系统的合成图像，包括系外行星WISPIT2b（右侧），是由智利的麦哲伦望远镜和亚利桑那州的大型双筒望远镜联合拍摄的。可见的圆环代表原行星盘物质，这使得WISPIT2b成为首个在原行星盘内尘埃间隙中被探测到的系外行星：这是一个惊人的例子，展示了从最初的微小起点不断增加质量，最终如何形成令人惊叹的大质量天体。 图片来源：亚利桑那大学的莱尔德克洛斯

在我们的宇宙中，许多不同类别的天体之间存在着分界线：碎石堆与球体、岩质行星与气态巨行星、棕矮星与恒星等等。 虽然某一特定类别中的单个天体存在着巨大的差异，但不同类别之间的分界线绝大多数仅由一个因素决定：质量。 仅仅通过增加质量，你就能将一种类型的天体转变为另一种截然不同的类别：这种现象在整个宇宙中一直都在发生。以下是质量在宇宙中如此重要的原因。

在浩瀚无垠的宇宙深处，从我们的太阳系到宇宙的最遥远之处，能发现各种各样的天体。有大量的小天体，从微小的卫星到小行星、彗星等等，它们的质量太小，无法使自身达到流体静力平衡。除此之外，还有呈圆形的行星天体——众多的卫星、矮行星，甚至还有岩石行星本身——它们的质量足以实现这一目标。质量再大一些，我们会发现气态巨行星、褐矮星，以及各种不同颜色、温度和光度的恒星，它们会在不同的时长内持续发光。

一旦恒星死亡，也会有多种可能的结局，因为恒星残骸可能会以白矮星、中子星或黑洞的形式存在。然而，在整个宇宙故事中，只有一个参数能在很大程度上决定我们最终会得到哪种类型的天体，以及它会具有哪些特性——你只能通过向已有的黑洞添加更多质量来形成质量更大的黑洞。

如今存在的其他一切事物都可以通过增加足够的质量来改变。以下是决定宇宙中这些分界线的因素。

首代恒星在宇宙中点亮的示意图。由于缺乏金属元素来帮助气体云团有效冷却，只有质量最大的气体团块才能最终坍缩形成恒星：这类恒星数量稀少，但单个质量远大于当今常见的恒星。尽管周围存在大量遮挡光线的物质，部分波长较长的辐射（在最初发出时）仍可穿透而出，进入更广阔的宇宙空间。 图片来源：美国国家航空航天局／威尔金森微波各向异性探测器科学团队

这似乎令人难以置信，但如今宇宙中存在的一切，其最终起源都归结于三件简单的事情。

这几乎是我们所知一切的最终来源：它形成于第一代恒星死亡后的遗迹之中，并由此孕育出大小与质量各异的各类天体。

虽然恒星、星系和银河系是夜空中常见的景象，但在这里，它们还伴随着微弱的黄道光，这种光来自太阳光（大多是直射阳光）在太阳系尘埃颗粒上的反射。黄道尘埃在太阳系内部分布广泛，在我们收集遥远宇宙的微弱观测数据时，它是一个根本性的限制因素，这些尘埃主要由粒径在10微米到1厘米之间的颗粒组成。 版权信息： 欧洲南方天文台B.塔弗雷希（twanight.org）

原因很简单。

将一个电子转移给邻近的原子或离子，自身变为裸露的原子核； 从邻近的原子或离子获得一个电子，形成带负电的离子； 或与另一个原子形成共价键，与该相邻原子共享其电子。

与此同时，氦几乎从不形成化学键，最大的例外情况是氦发生部分电离（失去一个电子）时，此时它能够与其他原子形成化学键。

在宇宙早期，尚未产生重元素时，气体云若要高效冷却——而冷却又是其收缩的必要条件——主要依赖于分子氢（H₂）和氦合氢离子（HeH⁺）的辐射冷却。这些分子在宇宙中具有关键意义，为原初恒星的形成提供了必要条件，但它们本身并不利于形成更复杂的结构，例如尘埃颗粒、冰质物质、岩石等。若仅由原初物质构成，则只能形成巨大的气体云或气体团块，或者通过聚集足够大的质量而形成大质量恒星；在这两种极端之间，几乎无法形成其他类型的天体，直至宇宙中重元素丰度达到一定程度。一旦发生充分的化学增丰，便开始涌现出大量由固态物质构成的天体。

这张图片展示了美国国家航空航天局（NASA）的太阳极大期卫星（SolarMax）面板上因微流星体撞击而形成的一个洞。尽管这个洞很可能只是由一粒尘埃造成的，但非相对论动能方程（12mv²）中的v²项会很快变得非常大。对于接近光速运动的粒子，当考虑相对论效应时，动能（即运动能量）的影响会变得更加严重。 图片来源：美国国家航空航天局（NASA）

在最小的尺度上，宇宙即使在高温条件下也能产生尘埃，若条件足够寒冷，还能形成冰。这会产生大量微小的岩石和或冰粒，其中大多数的尺寸在约10微米到约1厘米之间。这些颗粒散布在星际介质中，并在太阳系中穿梭，其中许多颗粒的移动速度足以在金属薄板上打出洞，就像你在上面看到的卫星上的穿孔一样。它们形成了反射黄道光的尘埃，也是旅行者1号和旅行者2号离开太阳系后遇到的主要障碍，而且在合适的环境中，它们还能大量聚集，形成更大、更巨大的结构。

存在恰好能让这种情况发生的合适环境的地方之一，是恒星和行星系统正在形成的原行星盘内部。在我们太阳系形成小行星带、柯伊伯带和奥尔特云的过程中，这种情况就曾在这里发生。值得注意的是，这些直径在200500公里、质量高达约10²⁰千克的天体，大多并非靠自身引力聚集在一起，而是靠电磁力聚集在一起。

这张小行星糸川的特写图像由隼鸟号探测器在近距离飞越期间拍摄。小行星不同区域的密度存在差异，表明其可能由多个较小天体碰撞并合而成。这种形成历史有助于我们理解行星的起源过程。 图片来源：JAXA

我们近距离观测到的许多天体，包括小行星糸川、彗星67P丘留莫夫－格拉西缅科以及柯伊伯带天体阿罗科斯，其尺寸和质量均低于这一界限，呈现出不规则形状，但同时也展现出由更小天体合并与聚集形成的特征。这很可能提供了一种形成路径——尤其是在原行星盘中物质密集的环境中——用于围绕恒星构建行星和卫星系统。当足够多的固态物质（无论是岩石还是冰）聚集并结合在一起时，其自身引力最终足以将物体拉成球形或近球形，达到地球物理学家和行星科学家所称的流体静力平衡状态。

我们太阳系中的许多天体都达到了流体静力学平衡状态：八大行星、谷神星和冥王星等几颗矮行星，以及太阳系中许多最大的卫星，包括我们的月球、土星的土卫六、海王星的海卫一和木星的四颗伽利略卫星。与我们之前提到的那些较小的不规则形状天体不同，这些天体不是靠电磁力结合在一起，而是靠引力，因为最终有了足够的质量，引力能够克服所有存在的电磁力。以我们的太阳系作为银河系及宇宙其他地方情况的一个代表，整个银河系中可能至少有数十万亿个处于流体静力学平衡状态的天体。

尽管地球和金星是太阳系中最大的两个岩石天体，但火星、水星，以及超过100个最大的卫星、小行星和柯伊伯带天体都已达到流体静力平衡。木卫三（Ganymede）和土卫六（Titan）比水星大，但木卫四（Callisto）的大小是水星的99%，质量却只有水星的三分之一。总体而言，所有已知直径大于800公里的天体都处于流体静力平衡状态，但低于这个阈值，流体静力平衡就不再是必然的了，而是可能取决于天体的组成。 来源：艾米丽拉克达瓦拉（EmilyLakdawalla）。数据来自美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）、约翰霍普金斯大学应用物理实验室（JHUAPL）西南研究院（SwRI）、太空科学研究所（SSI）以及加州大学洛杉矶分校（UCLA）马克斯普朗克太阳系研究所（MPS）德国航空航天中心（DLR）空间科学研究所（IDA），由戈尔丹乌加尔科维奇（GordanUgarkovic）、泰德斯特里克（TedStryk）、比约恩琼森（BjornJonsson）、罗曼特卡琴科（RomanTkachenko）和艾米丽拉克达瓦拉处理。

这些天体，根据它们的大小、质量以及与太阳系中主要光和热来源（太阳）的距离，最多只能保留稀薄的大气层。然而，尽管在过去漫长的时间里已经形成了许多代恒星，但宇宙中仍然主要是氢和氦，太阳也是如此。在恒星和恒星系统形成之时，氢和氦大量存在且无处不在；它们构成了宇宙物质的绝大部分，在形成恒星和行星的物质中占比超过97%。如果你只是一个小型、低质量、富含岩石和冰的天体，就无法保留太多那些最轻、最容易被吹走的元素。

但如果能够足够快地积累足够的质量，或者你距离母恒星和其他大量热源和能量源足够远，你就能够保留最初丰富的氢和氦，从而形成气态巨行星而不是岩石行星。我们早就知道，地球类岩石行星和海王星类气态巨行星之间的界限位于地球质量和海王星质量之间，但直到系外行星时代开始，我们才精确地发现这个界限：大约在两个地球质量左右。

换句话说，如果我们想谈论超级地球，就必须认识到，对于岩质行星而言，地球几乎已经是超级的极限了。一旦聚集的质量超过约\(10^{25}\)千克，就注定会成为气态巨行星，周围会包裹着一层由氢气和氦气组成的巨大气层。

既然詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）已经对土星进行了成像，那么就可以合成首张由韦布望远镜视角呈现的气态巨行星全家福了。在这里，每颗行星的角大小都经过校准，以展示它们在韦布望远镜视野中相对彼此的实际大小。行星的大小可能达到木星的两倍左右，但也可能小至1000公里甚至更小。 图片来源：E.西格尔

但气态巨行星并非天体质量的上限，远非如此。木星虽是太阳系中最重的行星，但在21世纪，我们已发现数千个质量超过木星却仍未达到恒星标准的天体。事实表明，若你：

聚集达到约13倍木星质量，你仍会是一颗巨行星，尽管是一类特殊的巨行星，即超级木星行星。 在一个区域积累相当于13到约7580倍木星质量的物质，你会形成一种特殊的失败恒星，即褐矮星。在褐矮星中，核心温度超过100万开尔文时可以实现氘核聚变，但即使该天体核心最热的部分也不够热，无法引发氢核聚变。 质量增加到约7580倍木星质量或更高时，你最终会使核心温度达到400万开尔文，此时氢核聚变最终可以通过质子质子链进行，从而形成一颗真正的恒星。

这些不同类型的天体，即超级木星行星、棕矮星或真正的恒星之间的最大差异，再次体现在一个因素上：质量。然而，一旦天体核心点燃核聚变，不同质量的恒星在性质上会有巨大差异。

现代摩根基南光谱分类系统，每个恒星类别上方标注了其温度范围，单位为开尔文。就大小而言，最小的M型恒星直径仍约为太阳直径的12%，但最大的主序星直径可以达到太阳的数十倍，而演化后的红超巨星（图中未显示）直径能达到太阳的数百倍甚至超过1000倍。恒星的（主序星）寿命、颜色、温度和光度主要都由一个特性决定：质量，而其他特性（如金属丰度）仅起次要作用。 来源：E.西格尔

你的恒星质量越大，那么……

恒星核心达到的温度越高， 恒星的颜色就越偏蓝， 恒星的物理尺寸就越大， 恒星的光度就越明亮， 恒星内部的核聚变速率（以及燃料消耗速率）也就越高。

未来会怎样。传统上，我们根据恒星的色温度将其分为七个不同的光谱类别，从低温的红色M型恒星到明亮的蓝色O型恒星。然而，只要恒星的核心在进行氢燃烧——在天文学中，由于这些恒星在色星等图（即赫罗图）上的位置，我们将这一阶段称为处于主序阶段——恒星的颜色、温度、光度和大小又仅由一个因素决定：质量。

由于最蓝的恒星是寿命最短的恒星，它们会迅速耗尽核燃料并最早死亡。因此，当我们观测一群在某一时刻同时形成的恒星时，可以通过判断其中哪些恒星仍处于主序阶段、哪些已离开主序甚至已经消亡，来估算该星团的年龄。然而，即便在最古老的这类恒星群体中，我们偶尔仍能发现呈蓝色的、大质量的恒星——即蓝离散星。它们的存在并非源于某些蓝星异常长寿，而是因为两颗质量较低、颜色偏红的恒星发生并合，从而形成一颗新的蓝星；这颗新星在演化上滞后于该恒星群体中最初形成的蓝星。

球状星团M69极为特殊：它极其古老，形成时间可追溯至宇宙当前年龄的约5%；同时又具有很高的金属丰度，达太阳金属丰度的22%。其所在位置可能与其高金属丰度及蓝离散星的存在有关。 图片来源：哈勃遗产档案馆（NASAESASTScI）

最后，恒星死亡时通常会面临三种可能的归宿。

然而，即使对于这些残骸（它们的形成依赖于其前身恒星的质量）而言，也有几种命运在等待着它们，而这些命运还进一步取决于它们积累了多少质量。

向白矮星增加质量，或使其与另一颗白矮星并合，将触发热核聚变反应：最初发生在表面，随后在条件适宜时向核心传播，最终引发Ia型超新星爆发，彻底摧毁该白矮星。 将中子星与另一颗中子星碰撞，当总质量达到约2.5至3.0倍太阳质量时，合并产物将因引力坍缩形成黑洞。

在并合的最后时刻，两颗中子星不仅会辐射引力波，还会引发一场灾难性的爆发，其电磁辐射遍及整个电磁波谱。最终是形成一颗稳定的中子星，还是直接坍缩为黑洞，抑或先形成中子星再进一步坍缩为黑洞，取决于前身中子星的总质量及其联合自转等物理因素。此类事件会产生极其丰富的重元素。 图片来源：华威大学／马克加里克

但对于黑洞而言，一旦进入便无法返回。无论你将黑洞与什么合并，或向其中添加任何物质，结果都只会形成一个更大的黑洞；除此之外别无可能。目前已知质量最小的黑洞略低于三个太阳质量，它被认为源自两颗中子星的并合事件。另一方面，星系中心存在超大质量黑洞，其质量可达数百亿倍太阳质量，尽管目前尚未发现质量达到一千亿倍太阳质量的黑洞，但理论上仍存在这种可能性。

如果你只是不断给我们已知的任何物体增加越来越多的质量，最终它会演变成一个全新类型的物体。尘埃颗粒可以聚集形成巨大的固体天体，要是天体质量足够大，引力会将它拉成流体静力学平衡状态。当质量大到一定程度，它会拥有大气层，甚至有可能孕育和维持生命。但如果质量变得过大，它就会包裹上一层大量的挥发性气体。质量再大一些，氘核聚变就会被点燃；若质量足够大，氢核聚变也会发生，从而诞生一颗恒星。质量更大的恒星燃烧时温度更高、颜色更蓝、亮度更亮、速度更快，恒星的初始质量决定了它的命运：白矮星、中子星或者黑洞。即便这些恒星残骸，要是与质量足够大的天体合并，也会引发剧烈的反应，这展示了宇宙的强大力量，它能持续产生宇宙变化，而且仅仅是通过给先前存在的物体增加质量就能做到。

科学与技术天体物理学天文学宇宙学恒星演化

BY: Ethan Siegel

FY: AI