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恒星演化

發布時間:2019-03-01 14:55 來源:荊楚網

  恒星演化就是一顆恒星誕生,成長成熟到衰老死亡的過程,恒星演化是十分緩慢的過程。天文學家根據對各種各樣的恒星的觀測和理論研究,弄清楚了恒星的一生是怎樣從孕育到誕生,再從成長到成熟,最后到衰老、死亡的整個過程。恒星演化論,是天文學中,關于恒星在其生命期內演化的理論。簡單的說恒星演化的總趨勢是密度不斷增大。其演化的終態是:白矮星、中子星或黑洞。恒星演化論,是天文學中,關于恒星在其生命期內演化的理論。由于單一恒星之演化通常長達數十億年,人類不可能完整觀測,目前以計算機模型模擬恒星的演變。
  恒星的演化大體可分為如下階段:一、主序是以前的階段--恒星處于幼年時代。二、主序是星階段--恒星處于壯年期。三、紅巨星階段--恒星處于中年期。四、白矮星階段--恒星處于老年期。大多數恒星的一生,大體是這樣度過的。
  我們首先來看恒星的一生:
1、恒星的誕生
  在星際空間普遍存在著極其稀薄的物質,主要由氣體和塵埃構成。它們的溫度約10~100K,密度約10-24~10-23g/cm3,相當于1cm3中有1~10個氫原子。星際物質在空間的分布并不是均勻的,通常是成塊地出現,形成彌漫的星云。星云里3/4質量的物質是氫,處于電中性或電離態,其余約?是氦以及極少數比氦更重的元素。在星云的某些區域還存在氣態化合物分子,如氫分子、一氧化碳分子等。如果星云里包含的物質足夠多,那么它在動力學上就是不穩定的。在外界擾動的影響下,星云會向內收縮并分裂成較小的團塊,經過多次的分裂和收縮,逐漸在團塊中心形成了致密的核。當核區的溫度升高到氫核聚變反應可以進行時,一顆新恒星就誕生了。
  恒星形成的初始階段幾乎完全被密集的星云氣體和灰塵所掩蓋。通常,正在產生恒星的星源會通過在四周光亮的氣體云上造成陰影而被觀測到,這被稱為博克球狀體。
  質量非常小(小于0.08太陽質量)的原始星的溫度不會到達足夠開始核聚變的程度,它們會成為褐矮星,在數億年的時光中慢慢變涼。大部分的質量更高的原始星的中心溫度會達到一千萬開氏度,這時氫會開始聚變成氦,恒星開始自行發光。核心的核聚變會產生足夠的能量停止引力坍縮,達到一個靜態平衡。恒星從此進入一個相對穩定的階段。如果恒星附近仍有殘留巨分子云碎片,那么這些碎片可能會在一個更小的尺度上繼續坍縮,成為行星、小行星和彗星等行星際天體。如果巨分子云碎片形成的恒星足夠接近,那么可能形成雙星和多星系統。
2、成年期——主序星
  恒星以內部氫核聚變為主要能源的發展階段就是恒星的主序階段。處于主序階段的恒星稱為主序星。主序階段是恒星的青壯年期,恒星在這一階段停留的時間占整個壽命的90%以上。這是一個相對穩定的階段,向外膨脹和向內收縮的兩種力大致平衡,恒星基本上不收縮也不膨脹。恒星停留在主序階段的時間隨著質量的不同而相差很多。質量越大,光度越大,能量消耗也越快,停留在主序階段的時間就越短。例如:質量等于太陽質量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星,處于主序階段的時間分別為一千萬年、七千萬年、一百億年和一萬億年。
  目前的太陽也是一顆主序星。太陽現在的年齡為46億多年,它的主序階段已過去了約一半的時間,還要50億年才會轉到另一個演化階段。與其他恒星相比,太陽的質量、溫度和光度都大概居中,是一顆相當典型的主序星。主序星的很多性質可以從研究太陽得出,恒星研究的某些結果也可以用來了解太陽的某些性質。
3、中年期——紅巨星與紅超巨星
  當恒星中心區的氫消耗殆盡形成由氦構成的核球之后,氫聚變的熱核反應就無法在中心區繼續。這時引力重壓沒有輻射壓來平衡,星體中心區就要被壓縮,溫度會急劇上升。中心氦核球溫度升高后使緊貼它的那一層氫氦混合氣體受熱達到引發氫聚變的溫度,熱核反應重新開始。如此氦球逐漸增大,氫燃燒層也跟著向外擴展,使星體外層物質受熱膨脹起來向紅巨星或紅超巨星轉化。轉化期間,氫燃燒層產生的能量可能比主序星時期還要多,但星體表面溫度不僅不升高反而會下降。其原因在于:外層膨脹后受到的內聚引力減小,即使溫度降低,其膨脹壓力仍然可抗衡或超過引力,此時星體半徑和表面積增大的程度超過產能率的增長,因此總光度雖可能增長,表面溫度卻會下降。質量高于4倍太陽質量的大恒星在氦核外重新引發氫聚變時,核外放出來的能量未明顯增加,但半徑卻增大了好多倍,因此表面溫度由幾萬開降到三、四千開,成為紅超巨星。質量低于4倍太陽質量的中小恒星進入紅巨星階段時表面溫度下降,光度卻急劇增加,這是因為它們外層膨脹所耗費的能量較少而產能較多。
預計太陽在紅巨星階段將大約停留10億年時間,光度將升高到今天的好幾十倍。到那時侯,地面的溫度將升高到今天的兩三倍,北溫帶夏季最高溫度將接近100℃。
4、晚年——恒星的死亡
  恒星的下一步演化再一次由恒星的質量決定。
  低質量恒星
  低質量恒星的演化終點沒有直接觀察到。宇宙的年齡被認為是一百多億年,不足以使得這些恒星耗盡核心的氫。當前的理論都是基于計算機模型。 一些恒星會在核心進行氦聚變,產生一個不穩定和不平衡的反應,以及強烈的太陽風。在這種情況下,恒星不會爆發產生行星狀星云,而只會耗盡燃料產生紅矮星。
  但是小于0.5倍太陽質量的恒星甚至在氫耗盡之后都不會在核心產生氦反應。像比鄰星這樣的紅矮星的壽命長達數千億年,在核心的反應終止之后,紅矮星在電磁波的紅外線和微波波段逐漸暗淡下去。
  中等質量恒星
  達到紅巨星階段時,0.4到3.4太陽質量的恒星的外殼會向外膨脹,而核心向內壓縮,產生將氦聚變成碳的核反應。聚變會重新產生能量,暫時緩解恒星的死亡過程。對于太陽大小的恒星,此過程大約持續十億年。
  氦燃燒對溫度極其敏感,造成很大的不穩定。巨大的波動會使得外殼獲得足夠的動能脫離恒星,成為行星狀星云。行星狀星云中心留下的核心會逐漸冷卻,成為小而致密的白矮星,通常具有0.6倍太陽質量,但是只有一個地球大小。
  在重力和電子互斥力平衡時,白矮星是相對穩定的。在沒有能量來源的情況下,恒星在漫長的歲月中釋放出剩余的能量,逐漸暗淡下去。最終,釋放完能量的白矮星會成為黑矮星。
  在同時形成的雙星或者多星系統中,恒星際質量交流可能改變演化過程。因為一部分質量被其他恒星獲得,系統中質量較大的恒星的紅巨星階段演化會被加速,而質量較小的恒星會吸收一部分紅巨星的質量,在主星序停留更長時間。舉例來說,天狼星的伴星就是一顆年老的大約一個太陽質量的白矮星,但是天狼星是一顆大約2.3個太陽質量的主序星。 如果白矮星的質量超出錢德拉塞卡極限,電子互斥力會不足以抵抗引力,而會繼續坍縮下去。這會造成恒星向外拋出外殼,也就是超新星爆發,標記著恒星的死亡。也就是說,不會有大于1.4倍太陽質量的白矮星。如果白矮星和另外一顆恒星組成雙星系統,那么白矮星可能使用來自另外一顆恒星的氫進行核反應并且將周圍的物質加熱拋出,即使白矮星的質量低于1.4倍太陽質量。這樣的爆炸稱為新星。
  大質量恒星
  在超出5倍太陽質量的恒星的外殼膨脹成為紅超巨星之后,其核心開始被重力壓縮,溫度和密度的上升會觸發一系列聚變反應。這些聚變反應會生成越來越重的元素,產生的能量會暫時延緩恒星的坍縮。
  大質量恒星經過一系列核反應后,形成重元素在內、輕元素在外的洋蔥狀結構,其核心主要由鐵核構成。此后的核反應無法提供恒星的能源,鐵核開始向內坍塌,而外層星體則被炸裂向外拋射。爆發時光度可能突增到太陽光度的上百億倍,甚至達到整個銀河系的總光度,這種爆發叫做超新星爆發。超新星爆發后,恒星的外層解體為向外膨脹的星云,中心遺留一顆高密天體。
  行星狀星云
  行星狀星云最終,聚變逐步到達元素周期表的下層,硅開始聚合成鐵。在這之前,恒星通過這些核聚變獲得能量,但是鐵不能通過聚變釋放能量,相反,鐵聚變需要吸收能量。這會造成沒有能量來對抗重力,而核心幾乎立刻產生坍縮。
  恒星演化的下一步演化機制并不明確,但是這會在幾分之一秒內造成一次劇烈的超新星爆發。和輕于鐵的元素同時被拋出的中微子形成一個沖擊波,在被拋出的物質吸收后,形成一些比鐵重的放射性元素,其中最重的是鈾。超新星爆發,是形成相對分子質量比鐵大的元素的另一途徑。(重元素最主要的來源被認為是宇宙大爆炸)
  中微子沖擊波繼續將被拋出的物質推出。被拋出的物質可能和彗星帶碰撞,可能形成新的恒星、行星和衛星,或者成為各種各樣的天體。
  現代科學尚未明確超新星爆發的機制,以及恒星殘骸的成分,但是已知有兩種可能的演化終點:中子星和黑洞。
  金牛座里著名的蟹狀星云就是公元1054年超新星爆發的遺跡。超新星爆發的時間雖短不及1秒,瞬時溫度卻高達萬億K,其影響更是巨大。超新星爆發對于星際物質的化學成分有關鍵影響,這些物質又是建造下一代恒星的原材料。
  超新星爆發時,爆發與坍塌同時進行,坍塌作用使核心處的物質壓縮得更為密實。理論分析證明,電子簡并態不足以抗住大坍塌和大爆炸的異常高壓,處在這么巨大壓力下的物質,電子都被擠壓到與質子結合成為中子簡并態,密度達到10億噸/立方厘米。由這種物質構成的天體叫做中子星。一顆與太陽質量相同的中子星半徑只有大約10千米。
  從理論上推算,中子星也有質量上限,最大不能超過大約3倍太陽質量。如果在超新星爆發后核心剩余物質還超過大約3倍太陽質量,中子簡并態也抗不住所受的壓力,只能繼續坍縮下去。最后這團物質收縮到很小的時候,在它附近的引力就大到足以使運動最快的光子也無法擺脫它的束縛。因為光速是現知任何物質運動速度的極限,連光子都無法擺脫的天體必然能束縛住任何物質,所以這個天體不可能向外界發出任何信息,而且外界對它探測所用的任何媒介包括光子在內,一貼近它就不可避免地被它吸進去。它本身不發光并吞下包括輻射在內的一切物質,就象一個漆黑的無底洞,所以這種特殊的天體就被稱為黑洞。黑洞有很多奇特的性質,對黑洞的研究在當代天文學及物理學中有重大的意義。
  科學家發現,在木星和土星的表面散放出來的能量比它們所吸收的能量要多,這就意味著木星和土星也可以發光,只是它們發出的是遠紅外線而不是可見光而已。
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