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二、亿载一瞬话死生
2010-01-13 23:22:18 来源:本站 作者:陈力 【 】 浏览:13993次 评论:0

 

夜幕深垂,天穹上繁星 点点,亘古如斯。宇宙的 深远无尽,引人遐思无限。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 ,也都有它自己的 “生命”历程。

一.恒星 摇篮

银河系 是由上千亿颗恒星 组成的 庞大天体集团,整个星 系 象一个扁平的 盘子,称为星 系 盘,盘中则缠绕着几条光亮的 “臂”,称为旋臂。(图:银河系 之外一个遥远而美丽的 星 系 M100,与我们所在的 银河系 十分相似)

科学分析表明,旋臂和旋臂之间的 暗区域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,所以不易形成恒星 。而在旋臂中,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 温度通常低至绝对温度10度左右,质量大约相当于太阳的 数千倍。这些分子云进一步碎裂和坍缩导致一群群原始恒星 的 诞生。这些分子云又称星 云,就是恒星 的 诞生地。(图:M16星 云中的 恒星 形成区)

二.星 初生

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,云团在引力的 作用下缓慢地坍缩。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(“星 风”)都会使云团中出现不均匀的 密度分布,多个密度中心分别吸引周围的 气体向内坍缩,形成一个个小云团。坍缩过程中,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,只发出红外辐射,不发射可见光,因此还只是恒星 的 胚胎――“星 胎”。(图:猎户座中的 一个恒星 形成区,图的 左上角是三颗新生恒星 的 放大像,这些恒星 周围均可看到有星 云盘包围着。)

不同大小的 云团演化快慢大不一样,像太阳这样典型大小的 恒星 ,其处于星 胎的 状态可维持100多万年,在复杂的 坍缩过程中,中心温度持续升高,直到在700万度以上的 极高温度下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,才真正进入了“成年恒星 ”的 阶段,变得光华灿烂,耀眼夺目。此时恒星 中心的 密度和温度都很高,巨大的 气体压力足以阻止引力坍缩,恒星 的 性质变得十分稳定,就像我们的 太阳一样。恒星 一生中90%以上的 时间都处于这一阶段。

三.成年,壮年与暮年

恒星 发光发热的 源泉来自内部的 核聚变反应,维持稳定热核反应的 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,虽然质量大的 恒星 内部有更多的 燃料,但是温度和压力也相应更高,这使核反应消耗氢的 速度比小质量恒星 快得多,导致质量大的 恒星 寿命反而要短得多,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,而我们五十亿岁的 太阳刚好度过了一生中一半的 岁月,它的 核燃料消耗速度还足够维持剩下五十亿年的 平静日子。

 

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,而当中心的 氢逐渐燃烧完后,一颗恒星 的 生命就接近尾声了。此时恒星 的 中心将形成一个氦核并且迅速坍缩,坍缩时产生的 热又使氦核外尚未燃烧的 氢达到核反应所需的 温度。于是恒星 在其氦核的 周围形成了一个氢燃烧的 “壳”,它推动着外层急剧膨胀,星 体的 体积大大增加,比如太阳这样的 恒星 会膨胀数百倍,其结果是恒星 表面温度下降,颜色变红,成为一颗典型的 红巨星 。虽然恒星 表面温度下降,但由于发光表面积同时剧增,其总能量输出和光亮度仍大幅增加。当我们的 太阳处在这一阶段时,它的 能量输出将增强一千倍,而它膨胀的 外壳将越过水星 轨道,将水星 汽化。(图:变成红巨星 后的 太阳与主序星 阶段的 太阳比较)

 

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。

 

【小资料】赫罗图:是天文学家赫茨普龙和罗素共同提出,用以描述恒星 温度(颜色)与光度之间关系 的 图,也是用来研究天体演化的 重要指示图。其横轴为温度,纵轴为绝对星 等(等价于恒星 的 光度)。炽热明亮的 蓝巨星 位于左上方,而比较冷且暗的 红矮星 分布在图的 右下角。大多数恒星 ,包括太阳都在从左上至右下的 一条对角线上,这条对角线被称为主星 序,主星 序上的 恒星 称为主序星 ,它们都处于一生中的 稳定氢燃烧阶段。              (图:赫罗图)

 

四.走向衰亡

 

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,核心则持续坍缩,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。外壳气体逐渐消散在星 际空间,成为下一代恒星 的 原料,而中心部分在坍缩到一定程度后,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 过程往往十分壮烈,通常质量大于太阳8倍以上的 恒星 ,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,这就是所谓的 “超新星 爆发”。超新星 爆发对恒星 来说是一场真正的 灾变,恒星 变得面目全非,其光度会增强千万倍甚至上亿倍,即使远至几十亿光年以外,地球上用望远镜也能观测到。超新星 爆发后,原来的 恒星 体粉身碎骨,其残留核心质量如果和太阳差不多,遗留下来的 天体将变成“中子星 ”,半径仅有10千米左右,其密度更比白矮星 高得多。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:船帆座超新星 遗迹,由一颗超新星 的 遗迹扩散形成)

 

质量小于0.08倍太阳质量的 原恒星 ,坍缩时核心的 温度达不到点燃氢燃烧核反应所需要的 700万度,因此不能成为主序星 ,而变成一颗褐矮星 ,只能发出微弱的 红外光,慢慢冷却并走向死亡。

 (图:1987年在大麦哲伦云(一个位于银河系 附近的 小星 系 )中爆发的 一颗超新星 (箭头所指)。)

【小资料]脉冲星

1967年,英国剑桥大学的 研究生贝尔用射电望远镜发现了一种特别的 星 体,它以一种周期非常稳定的 脉冲形式发出射电波,周期在1秒左右。后来证明,这种能发射脉冲波的 脉冲星 就是具有超强磁场、自转极快的 中子星 。超强磁场使中子星 发出的 射电波只能沿两个磁极方向射出,中子星 的 自转轴与磁轴有一定交角,结果使得中子星 发射出的 射电波像灯塔的 光束一样,只有扫过我们地球的 时候才能被我们接收到。脉冲的 周期,也就是中子星 的 自转周期。(图:脉冲星 示意图。)

【思考与讨论】

是什么决定了一颗恒星 的 寿命?如果一颗恒星 的 质量是太阳的 2倍,它的 寿命比太阳长还是短 ?

 

五.生死循环

 

正如动植物的 死亡将成为下一代生命的 养料一样,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。根据 现行的 宇宙起源学说,宇宙在大爆炸之后,出现了电子、质子和中子,由这些基本粒子结合形成的 元素,主要是氢和氦,前者约占3/4,后者约占1/4。此外,还有极微量的 轻元素,如锂、铍、硼等。其余的 所有元素,包括更多的 氦和锂等轻元素,都是在恒星 内部核反应过程中形成的 。这种过程,自130多亿年前宇宙中第一批恒星 诞生就已经开始。(图:恒星 的 世代循环)

 

正是恒星 的 存在以及它们的 演化,产生了今天宇宙中除了氢和氦等最轻的 几种元素之外的 100多种元素,宇宙从此变得丰富多彩,生命也赖以产生和发展,使整个世界生机勃勃。

 

【小资料】生命与“星 尘”

特别需要指出的 是,要产生像人类这样的 智慧生命,没有铁元素是不行的 。可是,太阳内部进行中的 热核聚变反应不会制造铁,因此,太阳和太阳系 里富含的 铁元素,必定是在太阳形成之前就已经存在了。这也就是说,太阳不应该是银河系 中的 第一代或第二代恒星 ,而应该至少是第三代或第四代。银河系 中,在太阳附近,本来应该有一颗第一代或第二代的 恒星 ,在至少五十亿年之前,走完了它的 生命历程,变成一颗超新星 ,在爆发中把它所制造的 铁抛到了银河系 空间,混合在弥漫的 星 际介质中。这种混合了铁和其他各种重元素的 气体,就成了后来形成太阳和太阳系 的 原料。请想象吧,正在你身体里流动的 血液中的 铁元素,就是这颗超新星 在那时候制造的 ! (图:正在你身体里流动的 血液中的 铁元素,是在至少五十亿年之前爆发的 一颗超新星 制造的 )

 

追根溯源,组成生命的 元素物质,包括我们人类自身,都由在恒星 内部的 核火炉中亿万载熔炼而就的 “星 尘”所组成。

 

Tags:一瞬 责任编辑:linq
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