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任晴朗无云、没有月亮的夜晚,我们抬头仰望星空时,总会被那璀燦的繁星深深震撼。古时候的人们发现,相对于行星、彗星等位置会变化的天体,天上为数最多的星星相互之间的位置几乎没有改变,于是把它们叫作“恒星”。现代的天文学家把受自身引力束缚、自己发先发热的由等离子体组成的球状天体叫作恒星。太阳也是恒星六家庭的一员,是离我们最近的恒星。
实际上,人类真正认识到太阳也是一颗恒星,是最近几百年间的事情。哥白尼、布鲁诺等科学家作为日心说的开创者,认为地球并非世界的中心,而是绕着太阳旋转的。同时,他们相信恒星也和太阳一样,只是因为距离遥远,所以看上去只是一个个的亮点。1838年,德国天文学家弗里德里希·贝塞尔首次通过视差法较为精确地测量了一颗恒星到我们的距离。在此之后,许多恒星的距离都被测量出来。科学家们使用观测到的恒星亮度,修正它们所在距离对于亮度的影响(光源距离观测者越远,看上去就会越暗)后,发现这些恒星几乎都和太阳差不多亮!科学家们还通过对比太阳和其他恒星的光谱,证实了它们在表面温度和化学成分上都十分相似。按照恒星的光谱分类方法,太阳是一颗G2型的主序恒星。
宇宙中一共有多少颗恒星呢?“不计其数”可以说是对这个问题最为准确的回答。限于我们所处的位置和恒星、星系到我们的距离,我们在夜晚可以用肉眼看到的恒星,几乎全都位于银河系内。我们的肉眼无法分辨遥远星系中的单个恒星。因此,许多星系在我们看来都是一个个很小的亮斑或者模糊的小亮点,它们是这些星系所有恒星发光的总和。粗略地估计一下,我们所能观测到的宇宙中有大约千亿个银河系这样的星系,而每一个这样的星系中,又有数千亿颗恒星,宇宙中恒星的数目是多么巨大!这些恒星从何处来,又将到何处去?一颗普通的恒星——这个在宇宙中沧海一粟般的平凡存在,究竟又会演绎出何等波澜壮阔的诗篇?
恒星诞生记——我们来自星尘
近代的康德和拉普拉斯提出了“星云说”来解释太阳系的形成,“星云说”认为太阳系内的天体诞生于原始星云中。这一假说为人们研究恒星起源提供了很大启发。经过英国天文学家金斯的开创性研究以及后来的天文学家们的努力,现代的恒星形成理论逐渐发展和完善,并得到了大量观测证据的支持。目前的恒星形成理论指出,恒星诞生于分子云中。
分子云是星云的一种。星云是对几类由弥散的星际气体和尘埃组成的天体的统称,它们广泛存在于银河系和其他星系中。许多星云因为外观奇特瑰丽而为人们所熟知。我们现在可以使用哈勃太空望远镜捕捉到这些星云的美丽照片,但很少有人知道,星云的物理状态并
不像我们所熟知的地球上的云和雾,而是比人类所能制造的实验室真空环境更“真空”更稀薄。星云包括发射星云、反射星云、行星状星云和暗星云等。其中,行星状星云是小质量恒星死亡后的遗迹;暗星云既不发光也没有光供它们反射,由于尘埃的存在,它们会遮挡背景光源的光,所以可以在明亮弥散星云背景的映衬下被发现。
暗星云通常是分子云。分子云的主要化学成分是氢分子和氦原子,还包含一些其他元素组成的原子、分子或化合物。其中许多比氢和氦更重的元素,来自更老的恒星死亡后抛出的物质。分子云虽然是较为稠密的星际介质,但和人类所处的环境相比仍然十分稀薄。分子云的数密度是每立方厘米100到1000个粒子,地球上空气的数密度是分子云的10亿亿倍!
分子云温度很低,大约10开尔文(开尔文,温度单位,10开尔文等于-263.15摄氏度)。分子云具有巨大的尺度,典型的直径为几十至数百光年(光年,距离单位,光在真空中走一年的距离,1光年约等于94605亿千米)。因此尽管分子云很稀薄,它仍然拥有很大的质量,通常足以制造上万个太阳这样的恒星。分子云被称为恒星的“育婴室”,年轻的恒星在其中诞生,并经历了最初阶段的演化。
在分子云的不同位置,物质的密度可能不同,这种密度的不均匀性为分子云后来的坍缩和分裂埋下了种子。触发这一系列过程的导火索,可能是分子云附近的超新星爆发,或者分子云与另一块分子云的碰撞產生的激波。由于受到这样的扰动,分子云中质量较大的部分区域会在自身引力作用下近乎自由落体地坍缩。坍缩的那部分云块越变越密,由于它不够稳定,便继续分裂成若干个小碎块,每一个碎块还会分别继续坍缩。碎块密度越来越大,温度逐渐升高,气压开始增大。这样导致的结果,就是原恒星核的形成。
原恒星核周围的气体物质持续落在原恒星核上,并围绕原恒星核一起旋转。这些聚集起来的物质最终将形成一个盘状的结构——吸积盘,原恒星核位于盘的中心。原恒星核继续吸积气体物质,温度升高,也开始变得明亮。原恒星核会在这时经历一个短暂的稳定状态,之后当温度升高到使氢分子分解为氢原子时(约2000摄氏度),原恒星会再次坍缩;第三次坍缩发生在温度大约10000摄氏度的时候,此时氢和氦都被电离成离子,这次坍缩会在原恒星收缩到直径只有大约几十倍太阳直径时停止。
原恒星内的物质会因引力而聚集,致使原恒星内部温度持续升高。当原恒星中心的温度、密度、压力达到一定条件时(温度约10000000摄氏度),热核反应就会发生。氢原子会结合形成氦原子,这个过程伴随巨大的核能释放,引发的效应包括温度和压力升高、恒星变亮。随着热核反应的进行,恒星可以在一段时间内保持稳定。恒星生命中的黄金时代——主序阶段到来了。
主序阶段——恒星一生中最长的时光
新生的恒星有不同的大小,直径最小的不到太阳直径的一半,最大的可达20多倍太阳直径;它们还有不同的颜色,从红到蓝。这些不同的特性,取决于恒星形成时所聚集的物质多少。如果恒星形成时聚集的物质更多,最终形成的恒星质量和体积就会更大,恒星的表面温度也会更高,因此会辐射波长更短的光而呈现偏蓝的颜色;反之,小质量的恒星表面温度通常更低,辐射出的光线中属于长波成分的红色更多,因此看上去偏红。而恒星质量大小对恒星的影响还远不止这些,它从一开始就决定了恒星的寿命,设计好了恒星生命中的几乎一切剧情。 主序阶段主要是指恒星内部发生热核反应燃烧氢元素生成氦元素并保持稳定的阶段。主序阶段是恒星一生中最長的阶段,也正因为如此,我们看到的大部分恒星都正处于主序阶段。不过,由于恒星内核的氢元素终将被热核反应耗尽,恒星不能永远保持在稳定的主序阶段,而是会脱离主序,走向死亡。大质量的恒星由于消耗氢的速度远快于小质量的恒星,因此具有比小质量恒星更短的主序阶段时间和更短的总寿命。理论计算表明,太阳在主序阶段大约会停留100亿年的时间。太阳形成于大约46亿年前,所以它正处于壮年时期。而一个具有10倍太阳质量的恒星,主序阶段的时间仅有约2000万年,相比之下就太短了。从分子云到进入主序阶段,太阳经历了几千万年,这相比于太阳主序阶段的时间只是一个很小的数字。大质量恒星从分子云到进入主序阶段,用的时间还会更短。
主序星通过热核反应持续产生使它发光发热的能量。我们地球上的生物得以生存,归
根结底也得益于太阳内核持续稳定的热核反应,因为太阳提供了适宜生物生存的温度和人类所需的能源。当一颗恒星内核的氢被热核反应消耗完时,它便行将就木。
恒星的万年——壮丽的结束
恒星末期的演化,也是由恒星的质量决定的。不同质量的恒星最终的命运也会不同。
对于质量在2倍太阳质量以内的恒星,主序阶段结束后,恒星核心的氢被用完,产生了一个氦的内核,氦内核外是密度更低的氢。由于核心的温度不够高,氦元素无法被点燃发生热核反应。于是,氦内核首先向内收缩,使核心得到加热。这种反应直接打破了恒星原本的稳定状态,使得恒星剧烈膨胀。由于恒星扩张到较外部的部分首先被冷却,恒星的表面温度降低了,因此变得比原来更红。这时的恒星会演化成为红巨星。以太阳为例,大约50亿年后,太阳将成为一颗红巨星,那时太阳会变大到现在的100倍,地球也会被太阳吞嗤。
而在红巨星内部,氦的燃烧十分迅速,恒星核心的氦很快就会被烧尽,形成一个碳的内核。这个碳内核将持续收缩,密度越来越大,最终成为一颗体积很小、温度很高(约10万摄氏度)的天体——白矮星。而原来恒星外部的壳层膨胀得很大,最后会与中心的白矮星脱离,扩展到周围的空间中。这些气体物质被中心炽热的白矮星电离,从而可以被我们观测到。由于人们最初在望远镜中看到这些弥散物质很像行星,因此称之为行星状星云。
行星状星云还会继续膨胀,最终被完全吹散,只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量来源,只能日益暗淡,成为不再发光的黑矮星。
质量较大的恒星在主序阶段结束后,同样会有氦内核燃烧的过程,并膨胀成为红超巨星。不同于小质量恒星的是,大质量恒星的碳内核也会被点燃,从而合成更重的氮、氧元素。质量更大的恒星(8倍太阳质量以上)内核中产生的新元素会一再被点燃,新的更重的元素组成的内核相继形成,内核外包裹着一层层燃烧的不同元素的同心壳层。因此这些大质量恒星还会制造出氖、钠、镁、硅等元素,直到内核变成铁为止。
此时的恒星再也无力支撑自身的引力,以极快的速度向内坍缩,最终形成宇宙中的奇观——超新星爆发。超新星爆发释放巨大的能量,在爆发的瞬间,超新星的光度可以与整个星系的光度相比,天空中就像突然出现了一颗明亮的星星一样。在超新星爆发后,原来恒星的外层物质被抛到周围的宇宙空间中,成为弥散的气体星云,而中心则产生一个致密天体——中子星或者黑洞。
中子星是一种由中子组成的天体,密度极高,它的直径仅有约10千米,但质量却和太阳相当。黑洞则是宇宙中最致密的天体,连光都无法逃脱它引力的束缚。
尾声
超新星爆发的时候,很多比铁更重的元素得以合成。这些元素不仅存在于地下的矿床里、人类的身体中,它们的谱线还出现在了太阳的光谱中。所以,我们的太阳系很有可能就诞生于大质量恒星死亡后的遗迹里。恒星诞生于星尘之中,终将归于星尘之中。面对浩瀚无垠的宇宙,人类只有意识到了自身的渺小,才有可能变得伟大。
实际上,人类真正认识到太阳也是一颗恒星,是最近几百年间的事情。哥白尼、布鲁诺等科学家作为日心说的开创者,认为地球并非世界的中心,而是绕着太阳旋转的。同时,他们相信恒星也和太阳一样,只是因为距离遥远,所以看上去只是一个个的亮点。1838年,德国天文学家弗里德里希·贝塞尔首次通过视差法较为精确地测量了一颗恒星到我们的距离。在此之后,许多恒星的距离都被测量出来。科学家们使用观测到的恒星亮度,修正它们所在距离对于亮度的影响(光源距离观测者越远,看上去就会越暗)后,发现这些恒星几乎都和太阳差不多亮!科学家们还通过对比太阳和其他恒星的光谱,证实了它们在表面温度和化学成分上都十分相似。按照恒星的光谱分类方法,太阳是一颗G2型的主序恒星。
宇宙中一共有多少颗恒星呢?“不计其数”可以说是对这个问题最为准确的回答。限于我们所处的位置和恒星、星系到我们的距离,我们在夜晚可以用肉眼看到的恒星,几乎全都位于银河系内。我们的肉眼无法分辨遥远星系中的单个恒星。因此,许多星系在我们看来都是一个个很小的亮斑或者模糊的小亮点,它们是这些星系所有恒星发光的总和。粗略地估计一下,我们所能观测到的宇宙中有大约千亿个银河系这样的星系,而每一个这样的星系中,又有数千亿颗恒星,宇宙中恒星的数目是多么巨大!这些恒星从何处来,又将到何处去?一颗普通的恒星——这个在宇宙中沧海一粟般的平凡存在,究竟又会演绎出何等波澜壮阔的诗篇?
恒星诞生记——我们来自星尘
近代的康德和拉普拉斯提出了“星云说”来解释太阳系的形成,“星云说”认为太阳系内的天体诞生于原始星云中。这一假说为人们研究恒星起源提供了很大启发。经过英国天文学家金斯的开创性研究以及后来的天文学家们的努力,现代的恒星形成理论逐渐发展和完善,并得到了大量观测证据的支持。目前的恒星形成理论指出,恒星诞生于分子云中。
分子云是星云的一种。星云是对几类由弥散的星际气体和尘埃组成的天体的统称,它们广泛存在于银河系和其他星系中。许多星云因为外观奇特瑰丽而为人们所熟知。我们现在可以使用哈勃太空望远镜捕捉到这些星云的美丽照片,但很少有人知道,星云的物理状态并
不像我们所熟知的地球上的云和雾,而是比人类所能制造的实验室真空环境更“真空”更稀薄。星云包括发射星云、反射星云、行星状星云和暗星云等。其中,行星状星云是小质量恒星死亡后的遗迹;暗星云既不发光也没有光供它们反射,由于尘埃的存在,它们会遮挡背景光源的光,所以可以在明亮弥散星云背景的映衬下被发现。
暗星云通常是分子云。分子云的主要化学成分是氢分子和氦原子,还包含一些其他元素组成的原子、分子或化合物。其中许多比氢和氦更重的元素,来自更老的恒星死亡后抛出的物质。分子云虽然是较为稠密的星际介质,但和人类所处的环境相比仍然十分稀薄。分子云的数密度是每立方厘米100到1000个粒子,地球上空气的数密度是分子云的10亿亿倍!
分子云温度很低,大约10开尔文(开尔文,温度单位,10开尔文等于-263.15摄氏度)。分子云具有巨大的尺度,典型的直径为几十至数百光年(光年,距离单位,光在真空中走一年的距离,1光年约等于94605亿千米)。因此尽管分子云很稀薄,它仍然拥有很大的质量,通常足以制造上万个太阳这样的恒星。分子云被称为恒星的“育婴室”,年轻的恒星在其中诞生,并经历了最初阶段的演化。
在分子云的不同位置,物质的密度可能不同,这种密度的不均匀性为分子云后来的坍缩和分裂埋下了种子。触发这一系列过程的导火索,可能是分子云附近的超新星爆发,或者分子云与另一块分子云的碰撞產生的激波。由于受到这样的扰动,分子云中质量较大的部分区域会在自身引力作用下近乎自由落体地坍缩。坍缩的那部分云块越变越密,由于它不够稳定,便继续分裂成若干个小碎块,每一个碎块还会分别继续坍缩。碎块密度越来越大,温度逐渐升高,气压开始增大。这样导致的结果,就是原恒星核的形成。
原恒星核周围的气体物质持续落在原恒星核上,并围绕原恒星核一起旋转。这些聚集起来的物质最终将形成一个盘状的结构——吸积盘,原恒星核位于盘的中心。原恒星核继续吸积气体物质,温度升高,也开始变得明亮。原恒星核会在这时经历一个短暂的稳定状态,之后当温度升高到使氢分子分解为氢原子时(约2000摄氏度),原恒星会再次坍缩;第三次坍缩发生在温度大约10000摄氏度的时候,此时氢和氦都被电离成离子,这次坍缩会在原恒星收缩到直径只有大约几十倍太阳直径时停止。
原恒星内的物质会因引力而聚集,致使原恒星内部温度持续升高。当原恒星中心的温度、密度、压力达到一定条件时(温度约10000000摄氏度),热核反应就会发生。氢原子会结合形成氦原子,这个过程伴随巨大的核能释放,引发的效应包括温度和压力升高、恒星变亮。随着热核反应的进行,恒星可以在一段时间内保持稳定。恒星生命中的黄金时代——主序阶段到来了。
主序阶段——恒星一生中最长的时光
新生的恒星有不同的大小,直径最小的不到太阳直径的一半,最大的可达20多倍太阳直径;它们还有不同的颜色,从红到蓝。这些不同的特性,取决于恒星形成时所聚集的物质多少。如果恒星形成时聚集的物质更多,最终形成的恒星质量和体积就会更大,恒星的表面温度也会更高,因此会辐射波长更短的光而呈现偏蓝的颜色;反之,小质量的恒星表面温度通常更低,辐射出的光线中属于长波成分的红色更多,因此看上去偏红。而恒星质量大小对恒星的影响还远不止这些,它从一开始就决定了恒星的寿命,设计好了恒星生命中的几乎一切剧情。 主序阶段主要是指恒星内部发生热核反应燃烧氢元素生成氦元素并保持稳定的阶段。主序阶段是恒星一生中最長的阶段,也正因为如此,我们看到的大部分恒星都正处于主序阶段。不过,由于恒星内核的氢元素终将被热核反应耗尽,恒星不能永远保持在稳定的主序阶段,而是会脱离主序,走向死亡。大质量的恒星由于消耗氢的速度远快于小质量的恒星,因此具有比小质量恒星更短的主序阶段时间和更短的总寿命。理论计算表明,太阳在主序阶段大约会停留100亿年的时间。太阳形成于大约46亿年前,所以它正处于壮年时期。而一个具有10倍太阳质量的恒星,主序阶段的时间仅有约2000万年,相比之下就太短了。从分子云到进入主序阶段,太阳经历了几千万年,这相比于太阳主序阶段的时间只是一个很小的数字。大质量恒星从分子云到进入主序阶段,用的时间还会更短。
主序星通过热核反应持续产生使它发光发热的能量。我们地球上的生物得以生存,归
根结底也得益于太阳内核持续稳定的热核反应,因为太阳提供了适宜生物生存的温度和人类所需的能源。当一颗恒星内核的氢被热核反应消耗完时,它便行将就木。
恒星的万年——壮丽的结束
恒星末期的演化,也是由恒星的质量决定的。不同质量的恒星最终的命运也会不同。
对于质量在2倍太阳质量以内的恒星,主序阶段结束后,恒星核心的氢被用完,产生了一个氦的内核,氦内核外是密度更低的氢。由于核心的温度不够高,氦元素无法被点燃发生热核反应。于是,氦内核首先向内收缩,使核心得到加热。这种反应直接打破了恒星原本的稳定状态,使得恒星剧烈膨胀。由于恒星扩张到较外部的部分首先被冷却,恒星的表面温度降低了,因此变得比原来更红。这时的恒星会演化成为红巨星。以太阳为例,大约50亿年后,太阳将成为一颗红巨星,那时太阳会变大到现在的100倍,地球也会被太阳吞嗤。
而在红巨星内部,氦的燃烧十分迅速,恒星核心的氦很快就会被烧尽,形成一个碳的内核。这个碳内核将持续收缩,密度越来越大,最终成为一颗体积很小、温度很高(约10万摄氏度)的天体——白矮星。而原来恒星外部的壳层膨胀得很大,最后会与中心的白矮星脱离,扩展到周围的空间中。这些气体物质被中心炽热的白矮星电离,从而可以被我们观测到。由于人们最初在望远镜中看到这些弥散物质很像行星,因此称之为行星状星云。
行星状星云还会继续膨胀,最终被完全吹散,只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量来源,只能日益暗淡,成为不再发光的黑矮星。
质量较大的恒星在主序阶段结束后,同样会有氦内核燃烧的过程,并膨胀成为红超巨星。不同于小质量恒星的是,大质量恒星的碳内核也会被点燃,从而合成更重的氮、氧元素。质量更大的恒星(8倍太阳质量以上)内核中产生的新元素会一再被点燃,新的更重的元素组成的内核相继形成,内核外包裹着一层层燃烧的不同元素的同心壳层。因此这些大质量恒星还会制造出氖、钠、镁、硅等元素,直到内核变成铁为止。
此时的恒星再也无力支撑自身的引力,以极快的速度向内坍缩,最终形成宇宙中的奇观——超新星爆发。超新星爆发释放巨大的能量,在爆发的瞬间,超新星的光度可以与整个星系的光度相比,天空中就像突然出现了一颗明亮的星星一样。在超新星爆发后,原来恒星的外层物质被抛到周围的宇宙空间中,成为弥散的气体星云,而中心则产生一个致密天体——中子星或者黑洞。
中子星是一种由中子组成的天体,密度极高,它的直径仅有约10千米,但质量却和太阳相当。黑洞则是宇宙中最致密的天体,连光都无法逃脱它引力的束缚。
尾声
超新星爆发的时候,很多比铁更重的元素得以合成。这些元素不仅存在于地下的矿床里、人类的身体中,它们的谱线还出现在了太阳的光谱中。所以,我们的太阳系很有可能就诞生于大质量恒星死亡后的遗迹里。恒星诞生于星尘之中,终将归于星尘之中。面对浩瀚无垠的宇宙,人类只有意识到了自身的渺小,才有可能变得伟大。