恒星的产生与演化

恒星的产生与演化 1955 年, 前苏联著名天文学家阿姆巴楚米扬提出“超密说”。 他认为, 恒星是由一种神秘的“星前物质”爆炸而形成的。具体地 讲 , 这种星前物质体积非常小, 密度非常大, 但它的性质人们还不清楚。不过, 多数科学家都不接受这种观点。 与“超密说”不同的是“弥漫说”, 其主旨是认为恒星由低密度的星际物质构成。它的渊源可以追溯到 18 世纪康德和拉普拉斯提出的“星云假说”。 星际物质是一些非常稀薄的气体和细小的尘埃物质, 它们在宇宙中各处构成庞大的像云一样的集团。这些物质密度很小, 每立方千米只有 10 - 8 —10 - 4 克, 主要成分是氢(90 % ) 和氦( 10 % ) , 它们的温度为 - 200℃— - 100℃。 从观测来看, 星云分为两种: 被附近恒星照亮的星云和暗星 · 45 · 　 　 云。它们的形状有网状、面包圈状等, 最有名的是猎户座的“暗 湾”, 其形状像一匹披散着鬃毛的黑马的马头, 因此也叫“马头星云”,而美国科普作家阿西莫夫说它更像迪斯尼动画片中的“大灰 狼”的头部和肩部。 星云是构成恒星的物质, 但真正构成恒星的物质量非常大, 构 成太阳这样的恒星需要一个方圆 900 亿千米的星云团。 从星云聚为恒星分为快收缩阶段和慢收缩阶段。前者历经几 十万年, 后者历经数千万年。星云快收缩后半径仅为原来的百分 之一, 平均密度提高 1 亿亿倍, 最后形成一个“星胚”。这是一个又 浓又黑的云团, 中心为一密集核。此后进入慢收缩, 也叫原恒星阶段。这时星胚温度不断升高, 高到一定的程度就要闪烁身形, 以示 其存在, 并步入幼年阶段。但这时发光尚不稳定, 仍被弥漫的星云物质所包围着, 并向外界抛射物质。 随着射电技术的不断进步, 人们对恒星起源问题有了更深刻 的认识, 但就研究本身来说还有许多细节不清楚, 特别是快收缩阶 段 , 对其物理机制的认识还不全面, 还需进行更全面的观测和更深入的研究。 德国大哲学家康德曾提出著名的时空悖论, 强调人们关于宇宙有限与无限的理解必然存在着矛盾。 古典力学创立者牛顿设想: 宇宙像一个无边界的大箱子, 无数恒星均匀地分布在这个既无限又空虚的箱子里, 靠万有引力联系着。他的观点引出了有名的“光度怪论”( 即奥尔伯斯佯谬) : 如果宇宙真的是无限的, 恒星又是均匀地分布着, 那么夜晚的天空将会变得无限明亮。 相对论大师爱因斯坦于 1917 年提出了有限宇宙的模型“, 把宇宙看做是一个在空间尺度方面的有限闭合的连续区”, 并从宇宙物质均匀分布的前提出发, 在数学上建立了一个前所未有的“无界而有限”“、有限而闭合”的“四维连续体”, 即一个封闭的宇宙。根 · 46 · 　 　 据爱因斯坦提供的这个“宇宙球”模型推想, 在宇宙任何一点上发 出的光线, 都将会沿着时空曲面在 100 亿年后返回它的出发点。人类目前的认识, 实际上是把宇宙作为在时间上有起点、在空 间上有限度的想象模型来对待的。 宇宙的范围究竟是有限的, 还是无限的 ? 现实的回答只能是: 人们所能认识的宇宙还是极其有限的, 只要人们找不到宇宙可以 穷尽的迹象, 那么就应该承认, 对宇宙范围的探索是没有止境的。 人类对恒星演化过程的了解, 要比对恒星起源的认识更为全面和深入。 经过恒星的幼年, 恒星才真正成为一颗天体。年轻的恒星仍 在收缩, 因此温度仍在升高。升到 1000 万℃以上时, 星系核心的 氢元素开始进行聚变反应, 并释放能量。这样一来, 恒星变得比较稳定, 并进入“青壮年期”。 人类对恒星的演化过程的科学研究中, 最重要的成就是 20 世纪初丹麦天文学家赫获普龙和美国天文学家罗素对恒星光谱和光度关系的研究, 他们将此绘制成图, 人们称此图为赫次普龙—罗素 图 , 简称赫罗图。由此图可知, 恒星要经过主序星( 青壮年) 阶段和红巨星( 老年) 阶段。 赫罗图非常直观, 人们借此可发现在观测到的恒星中, 有 90 % 是处在主序星阶段( 太阳也处在这个阶段) 。这个阶段是恒星 经历最长的阶段, 约几亿年到几十亿年。这时的恒星已不收缩了, 燃烧后的能量全部辐射掉。它的主要特征是: 大质量恒星温度高, 光度大, 色偏蓝; 小质量恒星温度低, 光度小, 色偏红。 当恒星变老成为一颗红巨星时, 在它的核反应中, 除了氢之 外 , 氦也开始燃烧, 接着又有碳加入燃烧行列。此时它的中心温度更高, 可达几亿度, 发光强度也升高, 体积也变得庞大。猎户座的参宿四就是一颗最老的红巨星。太阳老了也会变成红巨星, 那时它将膨胀得非常大, 以至于会把地球吞掉———如果那时人类还存 · 47 · 　 　 在着, 就要“搬家”了, 搬到离太阳远一些的行星上去住。 赫罗图的建立, 是天体物理学研究取得的重要成就之一。但是由于材料尚不够完善, 人们对恒星演化过程的许多细节还不很 清楚, 如星际物质的化学成分, 尘埃和气体的比例, 尘埃的吸收能力等, 这也使恒星演化理论受到到了一种很大的挑战。 夜晚的天穹, 星海茫茫。由于地球的自转, 群星同太阳一样,慢慢地东升西落。除了肉眼可见的五大行星( 以及彗星、流星) 在 星空为背景的舞台上往来移动之外, 其他众多的星星之间的相对, 位置却像是亘古不变的, 古人因此称之为“恒”星。随着近代科学 的发展, 我们终于认识到恒星其实就是“遥远的太阳”。 历史上, 东西方人都依据了恒星相对位置不变的特征, 把恒星 三三两两地组合起来, 将星空划分成若干个区域, 后来这些区域被称为星座。据《史记·天官书》记载, 我国早在周朝以前就将星空划 分成三垣 28 宿。公元前三千年左右, 巴比伦人把较亮的星划分成若干个星座。古希腊人在公元前 270 年前后, 以神话中的人物或 动物把北天的 48 个星座命名。南天星座则是在 17 世纪的环球航行中才逐渐确定的。1841 年 J·F 赫歇尔耳提出了用赤经、赤纬来 做星座的界线, 精确了星座的划分。1928 年国际天文学联合会以古希腊星座为蓝图, 确定了现在国标上通用的 88 个星座, 古老的 星座中蕴藏着许多美丽的神话, 为冷寂的星空增添了人类文化的色彩。 在晴朗的夜晚, 人的肉眼能够看到六千九百多颗较亮的恒星。 但是, 一个人无论何时只能仰望“半个天”, 同时只能看到三千多颗 星 , 其中有部分是恒星。 我们看到的著名的蟹状星云、古姆星云以及幕状星云等皆为 恒星爆炸后的遗骸———超新星遗迹。现代粒子物理学家和天文学家正研究当年恒星爆炸的主要原因和条件。超新星是大质量恒星 ( 质量≥10 个太阳质量) 在晚年发生激烈的、粉碎性的爆炸现象, · 48 · 　 　 一般质量较小的恒星并不以超新星爆发终了它的一生。大质量的 恒星在晚年为什么会爆炸呢 ? 长期以来科学家们进行了热烈讨 论, 提出了多种理论, 其中较普遍的理论是“核爆炸理论”。 在恒星演化过程的研究中, 科学家认为恒星内部的热核反应 是一个持续不断的过程。一般先是以氢为“燃料”, 即在极高温度 下氢原子核聚变过程中释放出巨大能量。恒星的核心部分———星 核的氢燃料耗尽后, 星核中心收缩释放的引力能使恒星的氢壳层 燃烧, 同时恒星外层向外膨胀。星核的收缩, 还使这个“热核反应炉”升温( 可达 2 亿℃) 。这时候, 氦开始燃烧, 与此同时星核收缩 停止。氦燃烧的灰烬是碳和氧。在氦燃料耗尽时, 星核又开始收缩。这时的恒星有点像是两个套在一起的球壳———双燃烧壳源, 一个是氢壳源, 另一个是氦壳源。当星核收缩到一定程度, 核内的温度达到 8 亿℃时, 碳开始燃烧。碳燃烧的主要灰烬是氧, 氧燃烧 后的灰烬是硅。 每当恒星核心一种燃料用完之后, 星核缺少能量辐射时便开 始收缩, 在星核收缩的过程中可释放更多的引力能, 因而使星核内部达到更高的温度。一旦达到下一种燃料的点火温度, 便开始新 的燃烧。恒星在晚年变得越来越不稳定, 热核反应一轮接一轮地 进行, 热核反应的速率也进一步加快, 导致整个恒星爆炸, 从而形 成超新星爆发。