1.4 恒星的形成和演化

　　第一章 宇宙的起源

　　1.4 恒星的形成和演化

　　原恒星就是处于“原始状态”(处于慢收缩阶段的天体)的恒星。原恒星由“大爆炸”后产生的星际云 （星际云很大，直径可达上千光年）演变而来。

　　恒星演化就是一颗恒星诞生，成长成熟到衰老死亡的过程，恒星演化是是十分缓慢的过程。天文学家根据对各种各样的恒星的观测和理论研究，弄清楚了恒星的一生是怎样从孕育到诞生，再从成长到成熟，最后到衰老、死亡的整个过程。恒星演化论，是天文学中，关于恒星在其生命期内演化的理论。

　　恒星诞生

　　恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量，直径为50到300光年。

　　在巨分子云环绕星系旋转时，一些事件可能造成它的引力坍缩。巨分子云可能互相冲撞，或者穿越旋臂的稠密部分。邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一。最后，星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。

　　坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。

　　恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常，正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到，这被称为博克球状体。

　　质量非常小（小于0.08太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度，它们会成为褐矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片，那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩，成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近，那么可能形成双星和多星系统。

　　恒星中年期

　　中年期时形成主序星

　　恒星有不同的颜色和大小。从高热的蓝色到冷却的红色，从0.5到20个太阳质量。

　　恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度，而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力，燃烧氢的速度也快得多。

　　恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可能在此序列上停留数千亿年，而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上，被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心中的氢之后，就会离开主星序。

　　恒星成熟期

　　成熟期时形成红巨星，超巨星。

　　在形成几百万到几千亿年之后，恒星会消耗完核心中的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。

　　失去了抵抗重力的核反应能量之后，恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高，但是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能，逐渐冷却，成为白矮星。

　　积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年，但是大部分红巨星都是变星，不如主序星稳定。

　　恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。

　　恒星衰退期

　　晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结：白矮星，中子星，黑洞。

　　赫罗图

　　西元1911年丹麦赫兹布朗（E. Hertzsprung）和1913年美国罗素（H.N.Russell）先后发现恒星的光度及表面温度的关系，并以统计图表示出来，称为赫罗（H-R）图，图中绝大多数恒星聚集在1条从左上到右下的带状区域中，此区域称主序带，带上的星称主序星，温度高的恒星光度强，温度低的恒星光度弱，恒星一生大部分在主序带度过，赫罗图中右上方的恒星光度强，表面温度低，主要因为体积很大，分别是红巨星及红超巨星，而在左下方的星正好相反，体积小温度高光度弱，它们是白矮星。利用赫罗图可以帮助我们对恒星作相互的比较，更进一步能用来研究恒星的形成和演化。

　　恒星演化形态

　　低质量恒星

　　低质量恒星的演化终点没有直接观察到。宇宙的年龄被认为是一百多亿年，不足以使得这些恒星耗尽核心的氢。当前的理论都是基于计算机模型。　一些恒星会在核心进行氦聚变，产生一个不稳定和不平衡的反应，以及强烈的太阳风。在这种情况下，恒星不会爆发产生行星状星云，而只会耗尽燃料产生红矮星。

　　但是小于0.5倍太阳质量的恒星甚至在氢耗尽之后都不会在核心产生氦反应。像比邻星这样的红矮星的寿命长达数千亿年，在核心的反应终止之后，红矮星在电磁波的红外线和微波波段逐渐暗淡下去。

　　中等质量恒星

　　达到红巨星阶段时，0.4到3.4太阳质量的恒星的外壳会向外膨胀，而核心向内压缩，产生将氦聚变成碳的核反应。聚变会重新产生能量，暂时缓解恒星的死亡过程。对于太阳大小的恒星，此过程大约持续十亿年。

　　氦燃烧对温度极其敏感，造成很大的不稳定。巨大的波动会使得外壳获得足够的动能脱离恒星，成为行星状星云。行星状星云中心留下的核心会逐渐冷却，成为小而致密的白矮星，通常具有0.6倍太阳质量，但是只有一个地球大小。

　　在重力和电子互斥力平衡时，白矮星是相对稳定的。在没有能量来源的情况下，恒星在漫长的岁月中释放出剩余的能量，逐渐暗淡下去。最终，释放完能量的白矮星会成为黑矮星，在同时形成的双星或者多星系统中，恒星际质量交流可能改变演化过程。因为一部分质量被其他恒星获得，系统中质量较大的恒星的红巨星阶段演化会被加速，而质量较小的恒星会吸收一部分红巨星的质量，在主星序停留更长时间。举例来说，天狼星的伴星就是一颗年老的大约一个太阳质量的白矮星，但是天狼星是一颗大约2.3个太阳质量的主序星。　如果白矮星的质量超出钱德拉塞卡极限，电子互斥力会不足以抵抗引力，而会继续坍缩下去。这会造成恒星向外抛出外壳，也就是超新星爆发，标记着恒星的死亡。也就是说，不会有大于1.4倍太阳质量的白矮星。如果白矮星和另外一颗恒星组成双星系统，那么白矮星可能使用来自另外一颗恒星的氢进行核反应并且将周围的物质加热抛出，即使白矮星的质量低于1.4倍太阳质量。这样的爆炸称为新星。

　　大质量恒星

　　在超出5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后，其核心开始被重力压缩，温度和密度的上升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越来越重的元素，产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。

　　最终，聚变逐步到达元素周期表的下层，硅开始聚合成铁。在这之前，恒星通过这些核聚变获得能量，但是铁不能通过聚变释放能量，相反，铁聚变需要吸收能量。这会造成没有能量来对抗重力，而核心几乎立刻产生坍缩。

　　恒星演化的下一步演化机制并不明确，但是这会在几分之一秒内造成一次剧烈的超新星爆发。和轻于铁的元素同时被抛出的中微子形成一个冲击波，在被抛出的物质吸收后，形成一些比铁重的放射性元素，其中最重的是铀。没有超新星爆发的话，相对分子质量比铁大的元素将不会存在。

　　中微子冲击波继续将被抛出的物质推出。被抛出的物质可能和彗星带碰撞，可能形成新的恒星、行星和卫星，或者成为各种各样的天体。

　　现代科学尚未明确超新星爆发的机制，以及恒星残骸的成分，但是已知有两种可能的演化终点：中子星和黑洞。

　　中子星

　　在一些超新星之中，电子被压入原子核，和质子结合成为中子。使得原子核互相排斥的电磁力消失之后，恒星成为一团密集的中子。这样的恒星被称为中子星。

　　质量要求：塌缩的内核质量超过1.44倍太阳的质量，小于3.2倍太阳的质量。

　　中子星的大小不超过一个大城市，但是极其致密。由于大部分角动量残留在恒星中，它们的自转会极快，有些甚至达到每秒钟600转。恒星的辐射会被磁场局限在磁轴附近，而随恒星旋转。如果磁轴在自转中会对准地球，那么在地球上每次自转过程中都可能观测到一次恒星的辐射。这样的中子星被称为脉冲星，是最早被发现的中子星。

　　黑洞

　　被广泛承认的是并非所有超新星都会形成中子星。如果恒星质量足够大，那么连中子也会被压碎，直到恒星的半径小于史瓦西半径，成为一个黑洞。

　　质量要求：塌缩的内核质量超过3.2倍太阳的质量。

　　斯帝芬·霍金（Stephen Hawking）结合广义相对论和量子力学预测了黑洞的存在。在多年来天文学家的努力下，成功观测到了行星不明引力场的影响而改变轨迹，从而可以推论黑洞的存在。根据传统的广义相对论，没有任何物质或者信息可以从黑洞中逃出，但是量子力学允许一些例外（在特定条件下物质发生"Tunnel"现象，物质能够通过一条假想的隧道穿过障碍）。黑洞的存在被绝大部分天文学家支持。

　　但是仍有一些问题尚待解决。当前的超新星爆发理论尚未完善，不能说明是否恒星可能压缩成为黑洞而不经过超新星爆发，是否有超新星形成的黑洞，以及恒星的初始质量和演化终点的关系。

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