恒星演化（恒星經(jīng)歷急遽變化的序列）

簡介

恒星演化

由于引力的控制，恒星演化的總趨勢是密度增大（在圖中向下移動(dòng)），而質(zhì)量丟失、碎裂、不穩(wěn)定或爆炸等現(xiàn)象使其質(zhì)量減?。ㄔ趫D中向左移動(dòng)）。恒星的演化必定以三種可能的冷態(tài)之一為終結(jié)：白矮星，中子星，黑洞。

恒星演化論，是天文學(xué)中，關(guān)于恒星在其生命期內(nèi)演化的理論。

由于單一恒星之演化通常長達(dá)數(shù)十億年，人類不可能完整觀測，目前以計(jì)算機(jī)模型模擬恒星的演變。

階段

恒星的演化開始于巨分子云。一個(gè)星系中大多數(shù)虛空的密度是每立方厘米大約0.1到1個(gè)原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米數(shù)百萬個(gè)原子。一個(gè)巨分子云包含數(shù)十萬到數(shù)千萬個(gè)太陽質(zhì)量，直徑為50到300光年。在巨分子云環(huán)繞星系旋轉(zhuǎn)時(shí)，一些事件可能造成它的引力坍縮。巨分子云可能互相沖撞，或者穿越旋臂的稠密部分。鄰近的超新星爆發(fā)拋出的高速物質(zhì)也可能是觸發(fā)因素之一。最后，星系碰撞造成的星云壓縮和擾動(dòng)也可能形成大量恒星。

坍縮過程中的角動(dòng)量守恒會(huì)造成巨分子云碎片不斷分解為更小的片斷。質(zhì)量少于約50太陽質(zhì)量的碎片會(huì)形成恒星。在這個(gè)過程中，氣體被釋放的勢能所加熱，而角動(dòng)量守恒也會(huì)造成星云開始產(chǎn)生自轉(zhuǎn)之后形成原始星。

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(chǎn)生恒星的星源會(huì)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(zhì)量非常?。ㄐ∮?.08太陽質(zhì)量）的原始星的溫度不會(huì)到達(dá)足夠開始核聚變的程度，它們會(huì)成為褐矮星，在數(shù)億年的時(shí)光中慢慢變涼。大部分的質(zhì)量更高的原始星的中心溫度會(huì)達(dá)到一千萬開氏度，這時(shí)氫會(huì)開始聚變成氦，恒星開始自行發(fā)光。核心的核聚變會(huì)產(chǎn)生足夠的能量停止引力坍縮，達(dá)到一個(gè)靜態(tài)平衡。恒星從此進(jìn)入一個(gè)相對穩(wěn)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(huì)在一個(gè)更小的尺度上繼續(xù)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(tǒng)。

成年期時(shí)形成主序星

恒星有不同的顏色和大小。從高熱的藍(lán)色到冷卻的紅色，從0.5到20個(gè)太陽質(zhì)量。恒星的亮度和顏色依賴于其表面溫度，而表面溫度則依賴于恒星的質(zhì)量。大質(zhì)量的恒星需要比較多的能量來抵抗對外殼的引力，燃燒氫的速度也快得多。

恒星形成之后會(huì)落在赫羅圖的主星序的特定點(diǎn)上。小而冷的紅矮星會(huì)緩慢地燃燒氫，可能在此序列上停留數(shù)千億年，而大而熱的超巨星會(huì)在僅僅幾百萬年之后就離開主星序。像太陽這樣的中等恒星會(huì)在此序列上停留一百億年。太陽也位于主星序上，被認(rèn)為是處于中年期。在恒星燃燒完核心中的氫之后，就會(huì)離開主星序。

中年期時(shí)形成紅巨星，超巨星。

在形成幾百萬到幾千億年之后，恒星會(huì)消耗完核心中的氫。大質(zhì)量的恒星會(huì)比小質(zhì)量的恒星更快消耗完核心的氫。在消耗完核心中的氫之后，核心部分的核反應(yīng)會(huì)停止，而留下一個(gè)氦核。失去了抵抗重力的核反應(yīng)能量之后，恒星的外殼開始引力坍縮。核心的溫度和壓力像恒星形成過程中一樣升高，但是在一個(gè)更高的層次上。一旦核心的溫度達(dá)到了1億開氏度，核心就開始進(jìn)行氦聚變，重新通過核聚變產(chǎn)生能量來抵抗引力。恒星質(zhì)量不足以產(chǎn)生氦聚變 釋放熱能，逐漸冷卻，成為白矮星。

恒星演化

積熱的核心會(huì)造成恒星大幅膨脹，達(dá)到在其主星序階段的數(shù)百倍大小，成為紅巨星。紅巨星階段會(huì)持續(xù)數(shù)百萬年，但是大部分紅巨星都是變星，不如主序星穩(wěn)定。

恒星的下一步演化再一次由恒星的質(zhì)量決定。

晚年到死亡以三種可能的冷態(tài)之一為終結(jié)：白矮星，中子星，黑洞。

形態(tài)

低質(zhì)量恒星

恒星演化

但是小于0.5倍太陽質(zhì)量的恒星甚至在氫耗盡之后都不會(huì)在核心產(chǎn)生氦反應(yīng)。像比鄰星這樣的紅矮星的壽命長達(dá)數(shù)千億年，在核心的反應(yīng)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(zhì)量恒星

達(dá)到紅巨星階段時(shí)，0.4到3.4太陽質(zhì)量的恒星的外殼會(huì)向外膨脹，而核心向內(nèi)壓縮，產(chǎn)生將氦聚變成碳的核反應(yīng)。聚變會(huì)重新產(chǎn)生能量，暫時(shí)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(xù)十億年。

氦燃燒對溫度極其敏感，造成很大的不穩(wěn)定。巨大的波動(dòng)會(huì)使得外殼獲得足夠的動(dòng)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(huì)逐漸冷卻，成為小而致密的白矮星，通常具有0.6倍太陽質(zhì)量，但是只有一個(gè)地球大小。

在重力和電子互斥力平衡時(shí)，白矮星是相對穩(wěn)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(huì)成為黑矮星。

恒星演化

大質(zhì)量恒星

在超出5倍太陽質(zhì)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(huì)觸發(fā)一系列聚變反應(yīng)。這些聚變反應(yīng)會(huì)生成越來越重的元素，產(chǎn)生的能量會(huì)暫時(shí)延緩恒星的坍縮。

最終，聚變逐步到達(dá)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(huì)造成沒有能量來對抗重力，而核心幾乎立刻產(chǎn)生坍縮。

恒星演化的下一步演化機(jī)制并不明確，但是這會(huì)在幾分之一秒內(nèi)造成一次劇烈的超新星爆發(fā)。和輕于鐵的元素同時(shí)被拋出的中微子形成一個(gè)沖擊波，在被拋出的物質(zhì)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(fā)，是形成相對分子質(zhì)量比鐵大的元素的另一途徑。（重元素最主要的來源被認(rèn)為是宇宙大爆炸）

中微子沖擊波繼續(xù)將被拋出的物質(zhì)推出。被拋出的物質(zhì)可能和彗星帶碰撞，可能形成新的恒星、行星和衛(wèi)星，或者成為各種各樣的天體。

現(xiàn)代科學(xué)尚未明確超新星爆發(fā)的機(jī)制，以及恒星殘骸的成分，但是已知有兩種可能的演化終點(diǎn)：中子星和黑洞。

中子星

在一些超新星之中，電子被壓入原子核，和質(zhì)子結(jié)合成為中子。使得原子核互相排斥的電磁力消失之后，恒星成為一團(tuán)密集的中子。這樣的恒星被稱為中子星。

質(zhì)量要求：塌縮的內(nèi)核質(zhì)量超過1.44倍太陽的質(zhì)量，小于3.2倍太陽的質(zhì)量(奧本海默極限）。

中子星的大小不超過一個(gè)大城市，但是極其致密。由于大部分角動(dòng)量殘留在恒星中，它們的自轉(zhuǎn)會(huì)極快，有些甚至達(dá)到每秒鐘600轉(zhuǎn)。恒星的輻射會(huì)被磁場局限在磁軸附近，而隨恒星旋轉(zhuǎn)。如果磁軸在自轉(zhuǎn)中會(huì)對準(zhǔn)地球，那么在地球上每次自轉(zhuǎn)過程中都可能觀測到一次恒星的輻射。這樣的中子星被稱為脈沖星，是最早被發(fā)現(xiàn)的中子星。

黑洞

被廣泛承認(rèn)的是并非所有超新星都會(huì)形成中子星。如果恒星質(zhì)量足夠大，那么連中子也會(huì)被壓碎，直到恒星的半徑小于史瓦西半徑，光也無法射出，成為一個(gè)黑洞。

質(zhì)量要求：塌縮的內(nèi)核質(zhì)量超過3.2倍太陽的質(zhì)量（大于奧本海默極限)。

斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）結(jié)合廣義相對論和量子力學(xué)預(yù)測了黑洞的存在。在多年來天文學(xué)家的努力下，成功觀測到了行星不明引力場的影響而改變軌跡，從而可以推論黑洞的存在。根據(jù)傳統(tǒng)的廣義相對論，沒有任何物質(zhì)或者信息可以從黑洞中逃出，但是量子力學(xué)允許一些例外（在特定條件下物質(zhì)發(fā)生"Tunnel"現(xiàn)象，物質(zhì)能夠通過一條假想的隧道穿過障礙）。黑洞的存在被絕大部分天文學(xué)家支持。

但是仍有一些問題尚待解決。當(dāng)前的超新星爆發(fā)理論尚未完善，不能說明是否恒星可能壓縮成為黑洞而不經(jīng)過超新星爆發(fā)，是否有超新星形成的黑洞，以及恒星的初始質(zhì)量和演化終點(diǎn)的關(guān)系。

20世紀(jì)30年代，物理學(xué)家從理論上發(fā)現(xiàn)，原子核反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生巨大的能量。用這種理論來研究太陽的能源，發(fā)現(xiàn)太陽的能源正好可以用核反應(yīng)來解釋。

各種年齡的恒星內(nèi)部發(fā)生著各種熱核反應(yīng)；恒星演化過程中會(huì)發(fā)生一系列熱核反應(yīng)，輕元素逐漸向重元素轉(zhuǎn)化，逐漸改變恒星的成分，改變恒星的內(nèi)部狀態(tài)。并且，發(fā)生這些熱核反應(yīng)所需要的溫度也越來越高。

恒星內(nèi)部熱核反應(yīng)所產(chǎn)生的能量以對流、傳導(dǎo)和輻射三種方式傳輸出來。由于大多數(shù)恒星的物質(zhì)是氣態(tài)的，熱傳導(dǎo)作用不大，只有內(nèi)部極其致密的特殊恒星（例如白矮星），內(nèi)部熱傳導(dǎo)才比較顯著。大多數(shù)恒星內(nèi)部主要依靠輻射來傳輸核反應(yīng)產(chǎn)生的能量，傳輸?shù)乃俣认喈?dāng)慢，例如太陽把它深達(dá)70萬千米的中心處的能量傳輸?shù)奖砻?，需?000萬年。對流傳輸能量的速度比輻射快得多，但是不同質(zhì)量的恒星，對流層的位置和厚度很不一樣。主星序左上部的恒星，質(zhì)量大，中心區(qū)是小的對流核，外面是輻射包層。主星序中下部的恒星，質(zhì)量較小，內(nèi)部輻射層很厚，僅表面有較薄的對流層。主星序右下部的恒星，質(zhì)量很小，整個(gè)恒星是對流的。恒星內(nèi)部產(chǎn)生的能量決定了它的表面溫度和光度。物理定律把恒星內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)、能量的產(chǎn)生、能量的傳遞和消耗與它的溫度、壓力、密度、成分等因素聯(lián)系了起來。其中一個(gè)因素的變化會(huì)引起其他因素的變化。因此，研究天體的演化就是要在物理定律的制約下，說明各種因素如何協(xié)調(diào)地變化。

按照天體的質(zhì)量和化學(xué)成分，運(yùn)用物理定律，可以計(jì)算出不同時(shí)間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即從恒星中心到表面各層的溫度、密度、壓力、能流及恒星輻射的總光度和表面溫度等物理量，從而可以確定恒星在赫羅圖上的位置；這樣還可以得出恒星的結(jié)構(gòu)與物理參量隨時(shí)間的變化情況，這樣也就得出了恒星演化的過程，也就可以看出恒星在赫羅圖上位置移動(dòng)。這就是研究恒星演化的基該方法。

把核反應(yīng)理論應(yīng)用于恒星演化，計(jì)算的結(jié)果正好符合觀測的數(shù)據(jù)，證明了這種理論及其應(yīng)用的正確性。于是，恒星演化理論開始發(fā)展了起來。

錢德拉塞卡

研究歷史

20世紀(jì)20年代初，英國天文學(xué)家愛丁頓（A.S.Eddington，1882－1944）通過研究認(rèn)為：恒星在演化后期內(nèi)部燃料即將耗盡，所產(chǎn)生的能量不足以抵消星體內(nèi)部物質(zhì)間的引力，于是體積收縮、密度增大，演化為質(zhì)密的白矮星。1925年，天文學(xué)家在觀測中發(fā)現(xiàn)了第一顆白矮星。

1939年，美國物理學(xué)家奧本海默（R.Oppenheim，1904－1967）提出：質(zhì)量很大的恒星由于其引力的巨大，將使它的最后歸宿不是白矮星，它會(huì)繼續(xù)收縮，原子和原子核均被擠碎，帶正電的質(zhì)子與帶負(fù)電的電子在強(qiáng)大引力作用下被結(jié)合成中性的中子，龐大星體收縮成為體積極小、質(zhì)量和密度極大的小球——中子星。同年，印度裔美國天文學(xué)家錢德拉塞卡（S.Chandrasekhar，1910－1995）預(yù)言：質(zhì)量小于太陽1.44倍的恒星將會(huì)演化為白矮星；質(zhì)量大于太陽1.44倍的恒星或是以大爆發(fā)的形式拋掉部分質(zhì)量后演化為白矮星，或是繼續(xù)收縮，經(jīng)超新星爆發(fā)演化為密度更高的中子星或黑洞。

1967年，英國射電天文學(xué)家赫威斯（A.Hewish，1924－）和他的研究生貝爾（J.Bell，1943～）發(fā)現(xiàn)了第一顆中子星。

20世紀(jì)50年代，美國天文學(xué)家史瓦西（M. Schwarzschild，1912－）預(yù)言：超大質(zhì)量恒星爆發(fā)后不斷收縮，當(dāng)它的引力強(qiáng)到足以使光都不能外逸時(shí)，就會(huì)成為“黑洞”。1974年，英國理論物理學(xué)家霍金（S. Hawking，1942－2018）證明：黑洞中將產(chǎn)生正反粒子對，其中的正能粒子會(huì)逸出，形成黑洞“蒸發(fā)”的現(xiàn)象。據(jù)此，天文學(xué)家們?nèi)缃褚寻l(fā)現(xiàn)了幾個(gè)可能是黑洞的天體，但尚無法徹底證實(shí)。

人類對恒星演化過程的研究目前尚未完成，探索還將不斷繼續(xù)下去。