恒星的"生"与"死"

[ 录入者:linq | 时间:2005-12-10 16:11:41 | 作者:林清 | 来源:科学画报2003年 | 浏览:8343次 ]

举目望天,点点繁星 引人遐思,至为深刻的 莫过于宇宙的 深远无尽和永恒不灭,然而那一颗颗闪烁的 星 星 ,果真永恒不灭吗?科学的 答案是否定的 ,宇宙中形形色色的 各种天体,包括和太阳一样发光发热的 恒星 ,也是有它自己的 "生命"历程的 。

 

    图1  M100   图2 猎户座繁星

(一) 恒星 的 诞生地

图1是银河系 之外一个遥远而美丽的 星 系 ,代号M100,我们的 银河系 与此十分相似,都是由千亿颗恒星 组成的 庞大天体集团。图中可以清楚地看到整个星 系 象一个扁平的 盘子-星 系 盘,盘中缠绕着几条光亮的 "臂",称为旋臂。

在旋臂和旋臂之间,是一些暗弱的 区域,科学分析表明,这里大多是炽热而高度电离的 气体,其中气体压力很大,可以抵制气体在引力作用下的 收缩倾向,所以这些区域不易形成恒星 。而在旋臂中,气体的 密度较大,离子、原子和尘埃颗粒之间的 碰撞相当频繁,能有效地使气体"冷却",并产生氢分子构成的 气体云团―分子云。分子云的 温度较低,通常仅为绝对温度10度左右,每一个云的 质量大约相当于太阳的 1000到10000倍。正是这些分子云的 进一步碎裂和坍缩导致一群一群原始恒星 的 诞生。

     图3 猎户座大星 云  图4 鹰状星 云

作为原始恒星 诞生地的 星 际云团,最有名的 当属猎户星 座(图2)中间"三星 "下方称为"宝剑"处的 一团云雾,这便是著名的 "猎户大星 云"(图3),这其中有许多刚刚诞生不久的 恒星 和仍处于襁褓中的 原恒星 。图4所示的 "鹰状星 云"M16则是另一个著名的 恒星 诞生地。

(二) 恒星 的 诞生-星 卵

作为恒星 诞生地的 星 际气体云团十分稀薄而且温度极低,云团中与引力相抗衡的 气体压力很弱,引力的 作用使得云团缓慢地收缩。
超新星 爆炸产生的 冲击波或云团周围一些亮星 向外喷射的 高热气流(称为"星 风")都会使云团中出现不均匀的 密度分布,造成云团中出现多个密度中心,这些密度中心周围的 气体分别向这些中心收缩,形成一个个小云团。收缩过程中,小云团中心温度升高,旋转加快,密度越来越大,演变成中心有核,周围由盘状物质包围的 形状,云团的 表面温度一般为绝对温度2000-3000度,质量与太阳相仿,只发出红外辐射,不发射可见光,所以还只是恒星 的 胚胎,或形象地称之为"星 卵"。
不同大小的 云团演化快慢大不一样,象太阳这样典型大小的 恒星 ,其处于星 卵的 状态的 大约要维持100万年,在此期间云团继续复杂的 收缩过程,中心温度则持续升高,一直到超过100万度,在这种极高的 温度下将出现由氢原子核变成氦原子核的 "核聚变"反应,这是恒星 的 根本特征,星 球只有到了能由核聚变反应而释放能量,才算是真正进入了"成年恒星 "的 阶段,也只有此时才真正变得灿烂夺目。此时的 恒星 中心密度和温度都很高,巨大的 气体压力足以抵抗引力收缩,所以恒星 也不再继续收缩了,恒星 的 性质变得十分稳定,就象我们的 太阳一样,恒星 一生中90%以上的 时间都处于这一阶段。

(三) 恒星 的 壮年-从主序星 到红巨星

恒星 发光发热的 源泉是由氢原子核转变为氦原子核的 核聚变反应,维持核反应的 阶段就是恒星 的 壮年期,天文学上称为"主序星 "阶段。质量不同的 恒星 维持核反应的 时间大不一样,大质量恒星 的 核心温度更高,核反应消耗氢的 速度比小质量恒星 快得多,因此其生命历程相对来说要短得多,比如象10个太阳质量那样大的 恒星 只能维持一千万年左右的 生命,而太阳却能维持100亿年。
太阳这样大小的 恒星 是宇宙中最为典型的 ,它们生命中80%-90%的 时间都处在稳定的 主序阶段,当中心的 氢逐渐燃烧完后,一颗恒星 的 生命就接近尾声了。此时星 体核心会迅速收缩,相反地,外层的 氢却开始燃烧并迅速膨胀,这是恒星 生命中一个十分有趣的 阶段,星 体的 体积大大增加,比如太阳这样的 恒星 会膨胀数百倍,膨胀的 结果导致恒星 表面温度下降,颜色变红,同时其表面亮度却会大大增强,天文学上习惯于将光度(即恒星 的 本质亮度)大的 天体称为"巨星 ",因此这一阶段的 恒星 的 典型特征就是"红巨星 "

相对而言,"红巨星 "阶段是很短暂的 ,此后由于核心的 收缩导致温度进一步升高而引发氦原子核聚变为碳原子核的 反应以及此后一系 列更为复杂的 核聚变反应,恒星 快速地走向死亡。

(四) 恒星 走向死亡

恒星 走向死亡的 途径因其质量的 不同而有很大的 不同,象太阳这种中等质量的 星 体其死亡是比较"温和"的 ,在红巨星 阶段之后,恒星 的 外壳一直向外膨胀,核心则持续收缩,发出紫外光或X射线,高能射线激发外层气体发出荧光,形成美丽的 行星 状星 云(图5)。外壳气体逐渐消散在星 际空间,成为下一代恒星 的 原料,而中心部分在收缩到一定程度后,停止了一切核反应过程,变成一颗冷却了的 、密度却极大的 白矮星 ,其中1个方糖大小的 物质,重量可与一辆卡车相当。
质量较大的 恒星 走向死亡的 途径往往是十分壮烈的 ,通常质量大于太阳8倍以上的 星 球,不会平静地演化为白矮星 ,而是引发一场震天动地的 大爆炸,星 体的 亮度突然增亮几十倍甚至几百倍,这就是所谓的 超新星 爆发,星 体粉身碎骨,核心遗留下来两种特殊形态的 天体-中子星 或黑洞。中子星 的 质量和太阳差不多,但半径只有10公里左右,可见其密度更比白矮星 高得多了。超新星 爆炸后,如果残留的 核心质量仍较大,则会形成密度更为惊人的 黑洞,任何物质甚至连光线都无法逃脱它强大的 引力场,我们无法直接看到它,这也正是其名为"黑"的 由来。

                                  图5           美丽的 行星 状星 云

(五) 恒星 的 "生死循环"

                                                           
正如动、植物的 死亡将成为下一代生命的 原料一样,恒星 的 死亡也都有一个共同的 特征,即将其本体中的 大量物质抛射到星 际空间中,这些物质逐渐弥漫在宇宙空间中,以气体或尘埃的 形式成为新一代恒星 的 原材料。同时正是在恒星 的 演化过程中通过核聚变形成了许多构成生命所必需的 重元素,这些重元素在恒星 死亡后弥散在宇宙空间中,才有可能导致象人这种生命的 诞生。

 

恒星 演化示意图

Tags:恒星 演化

责任编辑:linq

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