恒星的质量下限为0.1倍的太阳质量，这个是怎么推出来的？

你好！你问到了一个非常好的问题，关于恒星质量的下限为什么是太阳质量的0.1倍，这背后其实涉及到天体物理学中关于“恒星”的定义以及行星形成和演化的物理规律。我来为你详细解释一下。

首先，我们需要明确什么是“恒星”。在天文学上，我们定义恒星为一个质量足够大、能够通过自身引力收缩而引发核心区域的氢聚变成氦的核聚变反应的天体。这个核聚变反应是恒星发光发热的根本原因，也是它区别于行星和其他暗淡天体的关键。

那么，为什么说这个质量下限大概是太阳质量的0.1倍（也就是大约0.1个太阳质量）呢？这主要有以下几个原因：

1. 核聚变的门槛：

核心温度和压力： 要发生氢聚变成氦的核聚变反应，恒星的核心需要达到极高的温度和密度。具体来说，需要约1000万开尔文（Kelvin）的温度，并且有足够的压力来克服质子之间的库仑斥力。
质量与引力： 天体的质量决定了它的引力强度。质量越大，引力越强，就越能将物质压缩，从而提高核心的温度和压力。
引力收缩： 当一个足够大的星云（主要由氢和氦组成）开始收缩时，它的引力会克服内部粒子的热运动，使其向中心聚集。这个收缩过程会加热核心。
计算与模拟： 天体物理学家通过复杂的理论计算和计算机模拟来研究不同质量的星云在引力收缩过程中核心温度和压力的变化。他们发现，当一个天体的质量低于某个临界值时，即使在引力收缩到极致的情况下，其核心也无法达到启动持续氢聚变所需的温度和压力。

为什么是0.1个太阳质量？

这个数值并非凭空得出，而是基于详细的物理模型和计算。研究表明，大约0.08个太阳质量的天体，在最理想的情况下，其核心温度和压力勉强可以达到引发非常微弱的氢聚变反应的程度。但这个反应非常不稳定且持续时间极短，不足以维持恒星的稳定发光。
而当质量达到大约0.1个太阳质量时，天体核心的温度和压力能够稳定地支持氢聚变反应，使其能够像太阳一样持续发光发热数十亿年。
当然，这个“0.1倍太阳质量”是一个近似值，它也受到星云的化学组成（例如金属含量）等因素的影响，但它是一个被广泛接受的下限。

2. 褐矮星与行星的界限：

褐矮星（Brown Dwarf）： 质量介于行星和恒星之间的天体被称为褐矮星。它们的质量通常在13倍木星质量到80倍木星质量之间（大约是太阳质量的0.012倍到0.075倍）。
特征： 褐矮星的质量不足以引发持续的氢聚变，但它们在形成初期由于引力收缩可以产生足够的温度来短暂地进行氘聚变（重氢聚变）或锂聚变。一旦这些短暂的聚变反应结束，褐矮星就会逐渐冷却，不再发光发热。
与恒星的区分： 恒星的定义是能够进行持续的氢聚变。而褐矮星则无法做到。质量下限0.1倍太阳质量的设定，正是为了与这类“失败的恒星”或“行星恒星过渡体”区分开来。
行星的质量下限： 行星的质量则更小，它们无法进行任何形式的核聚变。

3. 恒星演化路径的决定：

一个天体的初始质量是决定其整个生命周期和演化路径的最重要因素。
质量较大的恒星，其内部的核聚变速率更快，生命周期更短，最终可能以超新星爆发等壮丽的方式结束生命。
质量较小的恒星，如红矮星（质量大约在0.08到0.5个太阳质量之间），它们的核聚变速率非常慢，生命周期可以长达数千亿甚至数万亿年，是宇宙中最常见的恒星类型。
低于0.1倍太阳质量的物体，即使能发生短暂的氘聚变，也无法踏上真正的恒星演化道路，它们更像是大型行星或者褐矮星。

总结一下，恒星质量下限约为0.1倍太阳质量，这个数值是通过以下几点推导出来的：

核聚变门槛： 天体必须具有足够的质量，才能通过引力收缩在核心产生足以引发持续氢聚变所需的温度和压力。
物理计算与模拟： 大量的理论计算和计算机模拟表明，当质量低于某个临界值时，核心温度和压力无法维持稳定的氢聚变。
与褐矮星和行星的区分： 这个下限确保了我们定义的恒星能够进行与褐矮星和行星不同的核心能量产生过程（持续的氢聚变）。

所以，这个0.1倍太阳质量的下限，是一个基于我们对核物理和引力作用的深刻理解，以及通过大量计算和观测数据得出的科学结论，它界定了恒星与其他天体的根本区别。

网友意见

核聚变的前提是反应物的原子核要彼此足够接近，直到突破彼此的库伦势垒，然后因为强相互作用结合在一起。在恒星内部，重力等因素导致的压强会将原子核“挤进”库伦势垒，形成核聚变。

另外一种突破库伦势垒的方式是量子隧穿，指粒子的波包（参考波粒二象性）本没有足以突破势垒的能量，在碰到势垒后却部分出现在势垒另一边的情况，鉴于太阳内部温度不足以维持纯粹依靠加热氢的方式实现聚变，太阳这么大的恒星要实现核反应，也得部分依赖于量子隧穿。考虑上面两种实现聚变的条件，就能推出可以自持聚变的最小恒星质量，至于结果是不是0.1倍太阳质量，就要列公式计算了。

至于辐射压，反而是个限制核聚变反应速率的条件，因为把反应物都压走了就不能核聚变了。

@伊卡鲁斯二号

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