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恒星的"生"與"死"

舉目望天,點點繁星 引人遐思,至為深刻的 莫過于宇宙的 深遠無盡和永恒不滅,然而那一顆顆閃爍的 星 星 ,果真永恒不滅嗎?科學(xué)的 答案是否定的 ,宇宙中形形色色的 各種天體,包括和太陽一樣發(fā)光發(fā)熱的 恒星 ,也是有它自己的 "生命"歷程的 。

 

    圖1  M100   圖2 獵戶座繁星

(一) 恒星 的 誕生地

圖1是銀河系 之外一個遙遠而美麗的 星 系 ,代號M100,我們的 銀河系 與此十分相似,都是由千億顆恒星 組成的 龐大天體集團。圖中可以清楚地看到整個星 系 象一個扁平的 盤子-星 系 盤,盤中纏繞著幾條光亮的 "臂",稱為旋臂。

在旋臂和旋臂之間,是一些暗弱的 區(qū)域,科學(xué)分析表明,這里大多是熾熱而高度電離的 氣體,其中氣體壓力很大,可以抵制氣體在引力作用下的 收縮傾向,所以這些區(qū)域不易形成恒星 。而在旋臂中,氣體的 密度較大,離子、原子和塵埃顆粒之間的 碰撞相當(dāng)頻繁,能有效地使氣體"冷卻",并產(chǎn)生氫分子構(gòu)成的 氣體云團―分子云。分子云的 溫度較低,通常僅為絕對溫度10度左右,每一個云的 質(zhì)量大約相當(dāng)于太陽的 1000到10000倍。正是這些分子云的 進一步碎裂和坍縮導(dǎo)致一群一群原始恒星 的 誕生。

     圖3 獵戶座大星 云  圖4 鷹狀星 云

作為原始恒星 誕生地的 星 際云團,最有名的 當(dāng)屬獵戶星 座(圖2)中間"三星 "下方稱為"寶劍"處的 一團云霧,這便是著名的 "獵戶大星 云"(圖3),這其中有許多剛剛誕生不久的 恒星 和仍處于襁褓中的 原恒星 。圖4所示的 "鷹狀星 云"M16則是另一個著名的 恒星 誕生地。

(二) 恒星 的 誕生-星 卵

作為恒星 誕生地的 星 際氣體云團十分稀薄而且溫度極低,云團中與引力相抗衡的 氣體壓力很弱,引力的 作用使得云團緩慢地收縮。
超新星 爆炸產(chǎn)生的 沖擊波或云團周圍一些亮星 向外噴射的 高熱氣流(稱為"星 風(fēng)")都會使云團中出現(xiàn)不均勻的 密度分布,造成云團中出現(xiàn)多個密度中心,這些密度中心周圍的 氣體分別向這些中心收縮,形成一個個小云團。收縮過程中,小云團中心溫度升高,旋轉(zhuǎn)加快,密度越來越大,演變成中心有核,周圍由盤狀物質(zhì)包圍的 形狀,云團的 表面溫度一般為絕對溫度2000-3000度,質(zhì)量與太陽相仿,只發(fā)出紅外輻射,不發(fā)射可見光,所以還只是恒星 的 胚胎,或形象地稱之為"星 卵"。
不同大小的 云團演化快慢大不一樣,象太陽這樣典型大小的 恒星 ,其處于星 卵的 狀態(tài)的 大約要維持100萬年,在此期間云團繼續(xù)復(fù)雜的 收縮過程,中心溫度則持續(xù)升高,一直到超過100萬度,在這種極高的 溫度下將出現(xiàn)由氫原子核變成氦原子核的 "核聚變"反應(yīng),這是恒星 的 根本特征,星 球只有到了能由核聚變反應(yīng)而釋放能量,才算是真正進入了"成年恒星 "的 階段,也只有此時才真正變得燦爛奪目。此時的 恒星 中心密度和溫度都很高,巨大的 氣體壓力足以抵抗引力收縮,所以恒星 也不再繼續(xù)收縮了,恒星 的 性質(zhì)變得十分穩(wěn)定,就象我們的 太陽一樣,恒星 一生中90%以上的 時間都處于這一階段。

(三) 恒星 的 壯年-從主序星 到紅巨星

恒星 發(fā)光發(fā)熱的 源泉是由氫原子核轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぴ雍说?核聚變反應(yīng),維持核反應(yīng)的 階段就是恒星 的 壯年期,天文學(xué)上稱為"主序星 "階段。質(zhì)量不同的 恒星 維持核反應(yīng)的 時間大不一樣,大質(zhì)量恒星 的 核心溫度更高,核反應(yīng)消耗氫的 速度比小質(zhì)量恒星 快得多,因此其生命歷程相對來說要短得多,比如象10個太陽質(zhì)量那樣大的 恒星 只能維持一千萬年左右的 生命,而太陽卻能維持100億年。
太陽這樣大小的 恒星 是宇宙中最為典型的 ,它們生命中80%-90%的 時間都處在穩(wěn)定的 主序階段,當(dāng)中心的 氫逐漸燃燒完后,一顆恒星 的 生命就接近尾聲了。此時星 體核心會迅速收縮,相反地,外層的 氫卻開始燃燒并迅速膨脹,這是恒星 生命中一個十分有趣的 階段,星 體的 體積大大增加,比如太陽這樣的 恒星 會膨脹數(shù)百倍,膨脹的 結(jié)果導(dǎo)致恒星 表面溫度下降,顏色變紅,同時其表面亮度卻會大大增強,天文學(xué)上習(xí)慣于將光度(即恒星 的 本質(zhì)亮度)大的 天體稱為"巨星 ",因此這一階段的 恒星 的 典型特征就是"紅巨星 "

相對而言,"紅巨星 "階段是很短暫的 ,此后由于核心的 收縮導(dǎo)致溫度進一步升高而引發(fā)氦原子核聚變?yōu)樘荚雍说?反應(yīng)以及此后一系 列更為復(fù)雜的 核聚變反應(yīng),恒星 快速地走向死亡。

(四) 恒星 走向死亡

恒星 走向死亡的 途徑因其質(zhì)量的 不同而有很大的 不同,象太陽這種中等質(zhì)量的 星 體其死亡是比較"溫和"的 ,在紅巨星 階段之后,恒星 的 外殼一直向外膨脹,核心則持續(xù)收縮,發(fā)出紫外光或X射線,高能射線激發(fā)外層氣體發(fā)出熒光,形成美麗的 行星 狀星 云(圖5)。外殼氣體逐漸消散在星 際空間,成為下一代恒星 的 原料,而中心部分在收縮到一定程度后,停止了一切核反應(yīng)過程,變成一顆冷卻了的 、密度卻極大的 白矮星 ,其中1個方糖大小的 物質(zhì),重量可與一輛卡車相當(dāng)。
質(zhì)量較大的 恒星 走向死亡的 途徑往往是十分壯烈的 ,通常質(zhì)量大于太陽8倍以上的 星 球,不會平靜地演化為白矮星 ,而是引發(fā)一場震天動地的 大爆炸,星 體的 亮度突然增亮幾十倍甚至幾百倍,這就是所謂的 超新星 爆發(fā),星 體粉身碎骨,核心遺留下來兩種特殊形態(tài)的 天體-中子星 或黑洞。中子星 的 質(zhì)量和太陽差不多,但半徑只有10公里左右,可見其密度更比白矮星 高得多了。超新星 爆炸后,如果殘留的 核心質(zhì)量仍較大,則會形成密度更為驚人的 黑洞,任何物質(zhì)甚至連光線都無法逃脫它強大的 引力場,我們無法直接看到它,這也正是其名為"黑"的 由來。

                                  圖5           美麗的 行星 狀星 云

(五) 恒星 的 "生死循環(huán)"

                                                           
正如動、植物的 死亡將成為下一代生命的 原料一樣,恒星 的 死亡也都有一個共同的 特征,即將其本體中的 大量物質(zhì)拋射到星 際空間中,這些物質(zhì)逐漸彌漫在宇宙空間中,以氣體或塵埃的 形式成為新一代恒星 的 原材料。同時正是在恒星 的 演化過程中通過核聚變形成了許多構(gòu)成生命所必需的 重元素,這些重元素在恒星 死亡后彌散在宇宙空間中,才有可能導(dǎo)致象人這種生命的 誕生。

 

恒星 演化示意圖 

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