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【蔓蘿觀太空】 縱觀-恒星系

 蔓蘿花 2017-10-07
恒星系或稱星系,是宇宙中龐大的星星的“島嶼”,它也是宇宙中最大、最美麗的天體系統(tǒng)之一。到目前為止,人們已在宇宙觀測(cè)到了約一千億個(gè)星系。它們中有的離我們較近,可以清楚地觀測(cè)到它們的結(jié)構(gòu);有的非常遙遠(yuǎn),目前所知最遠(yuǎn)的最系離我們有近兩百億光年。
NGC4603

按照宇宙大爆炸理論,第一代星系大概形成于大爆炸發(fā)生后十億年。在宇宙誕生的最初瞬間,有一次原始能量的爆發(fā)。隨著宇宙的膨脹和冷卻,引力開(kāi)始發(fā)揮作用,然后,幼年宇宙進(jìn)入一個(gè)稱為“暴漲”的短暫階段。原始能量分布中的微小漲落隨著宇宙的暴漲也從微觀尺度急劇放大,從而形成了一些“溝”,星系團(tuán)就是沿著這些“溝”形成的。
哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的遙遠(yuǎn)的年輕星系照片,其中包含有正在形成中的星系團(tuán)(原星系)(HST)
十八個(gè)正在形成中的星系團(tuán)的單獨(dú)照片。每個(gè)團(tuán)快距地球約一百十億光年(HST)
著名的“哈勃深空”照片。展示了一千多個(gè)在宇宙形成后不到十億年內(nèi)形成的年輕星系(HST)
哈勃深空?qǐng)D片。箭頭所指的可能是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)的星系(HST)
阿貝爾2218星系群。照片反映了宇宙中的“引力透鏡”現(xiàn)象(HST)
兩個(gè)相鄰的星系NGC1410、NGC1409因引力作用而互相吸取物質(zhì)(HST)

隨著暴漲的轉(zhuǎn)瞬即逝,宇宙又回復(fù)到如今日所見(jiàn)的那樣通常的膨脹速率。在宇宙誕生后的第一秒鐘,隨著宇宙的持續(xù)膨脹冷卻,在能量較為“稠密”的區(qū)域,大量質(zhì)子、中子和電子從背景能量中凝聚出來(lái)。一百秒后,質(zhì)子和中子開(kāi)始結(jié)合成氦原子核。在不到兩分鐘的時(shí)間內(nèi),構(gòu)成自然界的所有原子的成分就都產(chǎn)生出來(lái)了。大約再經(jīng)過(guò)三十萬(wàn)年,宇宙就已冷卻到氫原子核和氦原子核足以俘獲電子而形成原子了。這些原子在引力作用下緩慢地聚集成巨大的纖維狀的云。不久,星系就在其中形成了。

大爆炸發(fā)生過(guò)后十億年,氫云和氦云開(kāi)始在引力作用下集結(jié)成團(tuán)。隨著云團(tuán)的成長(zhǎng),初生的星系即原星系開(kāi)始形成。那時(shí)的宇宙較小,各個(gè)原星系之間靠得比較近,因此相互作用很強(qiáng)。于是,在較稀薄較大的云中凝聚出一些較小的云,而其余部分則被鄰近的云所吞并。

同時(shí),原星系由于氫和氦的不斷落入而逐漸增大。原星系的質(zhì)量變得越大,它們吸引的氣體也就越多。一個(gè)個(gè)云團(tuán)各自的運(yùn)動(dòng)加上它們之間的相互作用,最終使得原星系開(kāi)始緩慢自轉(zhuǎn)。這些云團(tuán)在引力的作用下進(jìn)一步坍縮,一些自轉(zhuǎn)較快的云團(tuán)形成了盤狀;其余的大致成為橢球形。這些原始的星系在獲得了足夠的物質(zhì)后,便在其中開(kāi)始形成恒星。這時(shí)的宇宙面貌與今天便已經(jīng)差不多了。星系成群地聚集在一起,就像我們地球上海洋中的群島一樣鑲嵌在宇宙空間浩瀚的氣體云中,這樣的星系團(tuán)和星系際氣體伸展成纖維狀的結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)億光年。如此大尺度的星系的群集在廣闊的空間呈現(xiàn)為球形。


宇宙中沒(méi)有兩個(gè)星系的形狀是完全相同的,每一個(gè)星系都有自己獨(dú)特的外貌。但是由于星系都是在一個(gè)有限的條件范圍內(nèi)形成,因此它們有一些共同的特點(diǎn),這使人們可以對(duì)它們進(jìn)行大體的分類。在多種星系分類系統(tǒng)中,天文學(xué)家哈勃于1925年提出的分類系統(tǒng)是應(yīng)用得最廣泛的一種。哈勃根據(jù)星系的形態(tài)把它們分成三大類:橢圓星系、旋渦星系和不規(guī)則星系。橢圓星系分為七種類型,按星系橢圓的扁率從小到大分別用E0-E7表示,最大值7是任意確定的。該分類法只限于從地球上所見(jiàn)的星系外形,原因是很難確定橢圓星系在空間中的角度。旋渦星系分為兩族,一族是中央有棒狀結(jié)構(gòu)的棒旋星系,用SB表示;另一種是無(wú)棒狀結(jié)構(gòu)的旋渦星系,用S表示。這兩類星系又分別被細(xì)分為三個(gè)次型,分別用下標(biāo)a、b、c表示星系核的大小和旋臂纏繞的松緊程度。不規(guī)則星系沒(méi)有一定的形狀,而且含有更多的塵埃和氣體,用Irr表示。另有一類用S0表示的透鏡型星系,表示介于橢圓星系和旋渦星系之間的過(guò)渡階段的星系。
屬E0型橢圓星系的NGC4552。該星系位于室女座
NGC4486,同樣位于室女座,屬E1型橢圓星系
NGC4479屬于E4型橢圓星系,位于室女座
NGC205橢圓星系,屬于E6型,位于仙女座
位于六分儀座的NGC3115,屬E7型橢圓星系,也有把它歸為S0型的
位于獅子座的NGC3623,屬Sa型旋渦星系
屬Sb型的NGC3627旋渦星系,位于獅子座
獵犬座的NGC5194旋渦星系,屬Sc型。左側(cè)是一個(gè)矮星系
NGC3351位于獅子座,屬SBb型棒旋星系
SBc型棒旋星系NGC3992,位于獅子座
銀河系的衛(wèi)星系“大麥哲倫云”,屬不規(guī)則星系
NGC3034不規(guī)則星系,位于大熊星座(NAOJ)

宇宙中的大部分大星系都是旋渦星系,其次是橢圓星系,不規(guī)則星系占的比較最小。旋渦星系自轉(zhuǎn)得比較快,其盤面中含有大量塵埃和氣體,這些物質(zhì)聚集成能供恒星形成的區(qū)域。這些區(qū)域發(fā)育出含有許多藍(lán)星的旋臂,所以盤面的顏色看上去偏藍(lán)。而在其棒狀結(jié)構(gòu)和中央核球上稠密地分布著許多年老的恒星。與旋渦星系相比,橢圓星系自轉(zhuǎn)得非常慢,其結(jié)構(gòu)是均勻而對(duì)稱的,沒(méi)有旋臂,塵埃和氣體也極少。造成這種局面的原因是早在數(shù)十億年前恒星迅速形成時(shí)就已經(jīng)將橢圓星系中的所有塵埃和氣體消耗完了。其結(jié)果是造成這些星系中無(wú)法誕生新的恒星,因此橢圓星系中包含的全都是老年恒星。

宇宙中約有十億個(gè)星系的中心有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞,這類星系被稱為“活躍星系”。類星體也屬于這類星系。

此外還有一類個(gè)子矮小的“矮星系”。這類星系不象大型星系那樣明亮,但其數(shù)量非常多。銀河系附近有許多矮星系,其數(shù)量比所有其它類型星系之和都多。在鄰近的星系團(tuán)中也已發(fā)現(xiàn)了大量的矮星系。其中一些形狀規(guī)則,多半都含有星族II的恒星;形狀不規(guī)則的矮星系一般含有明亮的藍(lán)星。

星系的形狀一般在其誕生之時(shí)就已經(jīng)確定了,此后一直都保持著相對(duì)穩(wěn)定,除非發(fā)生了星系碰撞或鄰近星系的引力干擾。


在沒(méi)有燈光干擾的晴朗夜晚,如果天空足夠黑,你可以看到在天空中有一條彌漫的光帶。這條光帶就是我們置身其內(nèi)而側(cè)視銀河系時(shí)所看到的它布滿恒星的圓面——銀盤。銀河系內(nèi)有約兩千多億顆恒星,只是由于距離太遠(yuǎn)而無(wú)法用肉眼辯認(rèn)出來(lái)。由于星光與星際塵埃氣體混合在一起,因此看起來(lái)就像一條煙霧籠罩著的光帶。銀河系的中心位于人馬座附近。

銀河系是一個(gè)中型恒星系,它的銀盤直徑約為十二萬(wàn)光年。它的銀盤內(nèi)含有大量的星際塵埃和氣體云,聚集成了顏色偏紅的恒星形成區(qū)域,從而不斷地給星系的旋臂補(bǔ)充熾熱的年輕藍(lán)星,組成了許多疏散星團(tuán)或稱銀河星團(tuán)。已知的這類疏散星團(tuán)約有一千兩百多個(gè)。銀盤四周包圍著很大的銀暈,銀暈中散布著恒星和主要由老年恒星組成的球狀星團(tuán)。

-人馬座方向的銀河
輝煌的銀河系中心(銀核)部分
輝煌的銀河系中心(銀核)部分II
織女、牽牛星-人馬座方向的銀河
天鷹-人馬座方向的銀河
長(zhǎng)盾-人馬座方向的銀河
從我們所處的角度很難確切地知道銀河系的形狀。但隨著近代科技的發(fā)展,探測(cè)手段的進(jìn)步在某種程度上克服了這些障礙,揭示出銀河系具有的某些出人意料的特征。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直以為銀河系是一個(gè)典型的旋渦星系,與仙女座星系類似。但最近的觀測(cè)卻發(fā)現(xiàn),它的中央核球稍帶棒形。這意味著銀河系很可能是一種棒旋星系。另外,銀河系是一個(gè)比較活躍的星系,銀核有強(qiáng)烈的宇宙射線輻射,在那里恒星以高速圍繞著一個(gè)不可見(jiàn)的中心旋轉(zhuǎn)。這表明在銀河系的核心有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。

銀河系有兩個(gè)較矮小的鄰居——大麥哲倫云和小麥哲倫云,它們都屬于不規(guī)則星系。由于引力的作用,銀河系在不斷地從這兩個(gè)小星系中吸取塵埃和氣體,使這兩個(gè)鄰居中的物質(zhì)越來(lái)越少。預(yù)計(jì)在一百億年里,銀河系將會(huì)吞沒(méi)這兩個(gè)星系中的所有物質(zhì),這兩個(gè)近鄰將不復(fù)存在。 
 
恒星的一生

太陽(yáng)作為一顆恒星成為了整個(gè)太陽(yáng)系的中心,以巨大的引力牽引著太陽(yáng)系中的各大天體。自人類有記錄以來(lái),任地球滄海桑田的變化,太陽(yáng)那耀眼的光芒也從未改變過(guò)。然而事實(shí)并不是這樣的,恒星和人一樣會(huì)經(jīng)歷生老病死。

誕生期:

恒星的演化開(kāi)始于巨分子云。一個(gè)巨分子云包含數(shù)十萬(wàn)到數(shù)千萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量,直徑為50到300光年。在巨分子云環(huán)繞星系旋轉(zhuǎn)時(shí),一些事件可能造成它的引力坍縮。星系碰撞造成的星云壓縮和擾動(dòng)也可能形成大量恒星。此時(shí)的恒星還只是一個(gè)巨型的“小baby”。


巨分子云

其中質(zhì)量小于0.08太陽(yáng)質(zhì)量的原始星的溫度不會(huì)到達(dá)足夠開(kāi)始核聚變的程度,它們會(huì)成為褐矮星。


褐矮星

但大部分的質(zhì)量更高的原始星的中心溫度會(huì)達(dá)到一千萬(wàn)開(kāi)氏度(開(kāi)氏溫度等于攝氏溫度加273),這時(shí)氫會(huì)開(kāi)始聚變成氦,恒星開(kāi)始自行發(fā)光。核心的核聚變會(huì)產(chǎn)生足夠的能量停止引力坍縮,達(dá)到一個(gè)靜態(tài)平衡。恒星從此進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段。此時(shí)的恒星已經(jīng)初具模樣。


成年期:

成年期時(shí)的恒星成為主序星。大質(zhì)量的恒星需要比較多的能量來(lái)抵抗對(duì)外殼的引力,燃燒氫的速度也快得多。小而冷的褐矮星則會(huì)緩慢地燃燒氫。

青壯年時(shí)期的恒星

中年期:

中年期時(shí)形成紅巨星,超巨星。

在形成幾百萬(wàn)到幾千億年之后,恒星會(huì)消耗完核心中的氫。在消耗完核心中的氫之后,核心部分的核反應(yīng)會(huì)停止,而留下一個(gè)氦核。失去了抵抗重力的核反應(yīng)能量之后,恒星的外殼開(kāi)始引力坍縮。一旦核心的溫度達(dá)到了1億開(kāi)氏度,核心就開(kāi)始進(jìn)行氦聚變,重新通過(guò)核聚變產(chǎn)生能量來(lái)抵抗引力。

恒星的下一步演化再一次由恒星的質(zhì)量決定。

紅巨星

衰退期:

晚年到死亡以三種可能的冷態(tài)之一為終結(jié):白矮星、中子星、黑洞。

低質(zhì)量恒星

低質(zhì)量恒星的演化終點(diǎn)沒(méi)有直接觀察到。宇宙的年齡被認(rèn)為是一百多億年,不足以使得這些恒星耗盡核心的氫。但是小于0.5倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星甚至在氫耗盡之后都不會(huì)在核心產(chǎn)生氦反應(yīng)。在核心的反應(yīng)終止之后,褐矮星在電磁波的紅外線和微波波段逐漸暗淡下去。

中等質(zhì)量恒星

達(dá)到紅巨星階段時(shí),0.4-3.4倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星的外殼會(huì)向外膨脹,而核心向內(nèi)壓縮,產(chǎn)生將氦聚變成碳的核反應(yīng)。聚變會(huì)重新產(chǎn)生能量,暫時(shí)緩解恒星的死亡過(guò)程。

通常具有0.6倍太陽(yáng)質(zhì)量,但是只有一個(gè)地球大小。(太陽(yáng)質(zhì)量是地球質(zhì)量的33萬(wàn)倍)氦燃燒對(duì)溫度極其敏感,造成很大的不穩(wěn)定。巨大的波動(dòng)會(huì)使得外殼獲得足夠的動(dòng)能脫離恒星,成為行星狀星云。行星狀星云中心留下的核心會(huì)逐漸冷卻,成為小而致密的白矮星,


一對(duì)互相旋轉(zhuǎn)的白矮星

在重力和電子互斥力平衡時(shí),白矮星是相對(duì)穩(wěn)定的。在沒(méi)有能量來(lái)源的情況下,恒星在漫長(zhǎng)的歲月中釋放出剩余的能量,逐漸暗淡下去。最終,釋放完能量的白矮星會(huì)成為黑矮星。

大質(zhì)量恒星:

在超出5倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星的外殼膨脹成為紅超巨星之后,其核心開(kāi)始被重力壓縮,溫度和密度的上升會(huì)觸發(fā)一系列聚變反應(yīng)。這些聚變反應(yīng)會(huì)生成越來(lái)越重的元素,產(chǎn)生的能量會(huì)暫時(shí)延緩恒星的坍縮。但這會(huì)造成沒(méi)有能量來(lái)對(duì)抗重力,而核心幾乎立刻產(chǎn)生坍縮。恒星演化的下一步演化機(jī)制并不明確,但是這會(huì)在幾分之一秒內(nèi)造成一次劇烈的超新星爆發(fā)。


超新星爆炸

現(xiàn)代科學(xué)尚未明確超新星爆發(fā)的機(jī)制,以及恒星殘骸的成分,但是已知有兩種可能的演化終點(diǎn):中子星和黑洞。

中子星:

中子星的大小不超過(guò)一個(gè)大城市,但其質(zhì)量卻比太陽(yáng)質(zhì)量還大,所以其密度非常非常大。

中子星

黑洞:

被廣泛承認(rèn)的是并非所有超新星都會(huì)形成中子星。如果恒星質(zhì)量足夠大,那么連中子也會(huì)被壓碎,直到恒星的半徑小于某一特定的數(shù)值后,光也無(wú)法射出,成為一個(gè)黑洞。

質(zhì)量要求:塌縮的內(nèi)核質(zhì)量超過(guò)3.2倍太陽(yáng)的質(zhì)量。

宇宙中的黑洞


一個(gè)黑洞正在“吞噬”其他天體

揭示恒星生命周期的“赫羅圖”



在整個(gè)宇宙中,總共有多少顆恒星呢

在整個(gè)宇宙中,總共有多少顆恒星呢?

晴朗夜空中布滿了閃爍的繁星,這是證據(jù)表明我們只是一顆環(huán)繞在浩瀚宇宙中的一顆小恒星公轉(zhuǎn)的小星球。

從獵戶座到北斗七星,盡管人類已經(jīng)命名了一些星座的恒星,但在現(xiàn)實(shí)中,宇宙中的恒星數(shù)量浩如煙海,無(wú)法一一為它們命名。

那么宇宙中的恒星數(shù)量有多少呢?究竟有多少顆恒星不完全清楚,但是肯定是很多、很多。

搜尋星系

想要知道宇宙中的恒星數(shù)量,一種方法是弄清在一個(gè)典型星系中的平均恒星數(shù)量,然后將其乘以宇宙中的星系數(shù)量。

在整個(gè)宇宙中,總共有多少顆恒星呢?

各種類型的星系

根據(jù)今年十月的一項(xiàng)最新研究,天文學(xué)家利用來(lái)自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的深場(chǎng)圖像發(fā)現(xiàn),宇宙的星系數(shù)量是此前認(rèn)為的10倍,總計(jì)大約有2萬(wàn)億個(gè)星系。

在最漆黑的夜晚,肉眼可以看到只有不到一萬(wàn)顆的恒星。但根據(jù)天文學(xué)家的估計(jì),平均每個(gè)星系擁有1億顆恒星。但是得到這個(gè)數(shù)字并非只是通過(guò)把天文望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)天空,然后計(jì)數(shù)出恒星的數(shù)量。只有星系中最明亮的恒星才能被天文望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到。

例如,2008年,斯隆數(shù)字巡天(覆蓋天空中三分之一的所有可觀測(cè)到的天體)探測(cè)到大約4800萬(wàn)顆恒星,這只是估計(jì)恒星數(shù)量的一半 。如果在銀河系鄰近的仙女座星系之中,有顆與太陽(yáng)一樣亮的恒星,那么使用傳統(tǒng)的天文望遠(yuǎn)鏡(如斯隆數(shù)字巡天所使用的那些)是無(wú)法觀測(cè)到的。

相反,估計(jì)星系中恒星的數(shù)量是基于星系的質(zhì)量。因?yàn)橛钪嬲谂蛎?,并且星系之間互相遠(yuǎn)離,所以平均而言,從其他星系發(fā)出的光會(huì)出現(xiàn)輕微的“紅移”,這意味著它的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)了。但由于星系的自轉(zhuǎn),星系中的某些部分實(shí)際上是靠近地球運(yùn)動(dòng),這意味著一些光會(huì)出現(xiàn)“藍(lán)移”。通過(guò)使用這些光學(xué)測(cè)量,天文學(xué)家可以粗略估計(jì)星系的旋轉(zhuǎn)速度,進(jìn)而揭示了它的質(zhì)量。不過(guò),天文學(xué)家還必須要過(guò)濾掉所有的暗物質(zhì)、或施加引力作用而不反光的物質(zhì)。

在整個(gè)宇宙中,總共有多少顆恒星呢?

來(lái)自美國(guó)伊薩卡學(xué)院(Ithaca College)的天文學(xué)家David Kornreich表示,在一個(gè)典型的星系中,如果通過(guò)觀測(cè)星系自轉(zhuǎn)曲線(星系中的恒星、氣體和塵埃的速度隨著與星系中心的距離而變化)來(lái)測(cè)量它的質(zhì)量,那在得到的結(jié)果中暗物質(zhì)大約占了90%。

把宇宙的星系數(shù)量(大約是2萬(wàn)億)乘以平均每個(gè)星系的恒星數(shù)量(大約1億顆),可以得到整個(gè)宇宙大約有2萬(wàn)億億顆的恒星(即2×10^20顆恒星)。當(dāng)然,這只是估計(jì)的全宇宙恒星數(shù)量,究竟有多少顆恒星只有天知道。

它是恒星死亡的最根本因素,恒星的一生都在與它抗?fàn)帲?/font>

從誕生開(kāi)始,恒星就一直會(huì)和萬(wàn)有引力進(jìn)行斗爭(zhēng)。首先引力將恒星物質(zhì)凝聚在一起,但接下來(lái)引力想要讓它滅亡,引力不會(huì)停歇,它要將所有東西壓碎,如果恒星想要有個(gè)長(zhǎng)一點(diǎn)的壽命的話,就必須和引力相互抗?fàn)帯?/span>

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人們無(wú)時(shí)無(wú)刻不感覺(jué)到引力的存在,無(wú)論是當(dāng)你跳起或者攀登的時(shí)候,引力總是將你吸引下來(lái),為了想辦法抗?fàn)?,你必須花費(fèi)一定的力氣,產(chǎn)生與引力相反方向的力,如果是系了繩索的話就可以拉著繩子攀登,這樣就可以對(duì)抗和克服引力,但是這并不是說(shuō)引力就放棄了,引力一直在起作用,所以你時(shí)刻需要用力,防止掉下去。

這對(duì)恒星也是一樣。恒星要用力防止將它們擠碎,而引力要將它們壓向中央。對(duì)于恒星來(lái)說(shuō),核能所提供的能量形成壓力充當(dāng)繩索,熱量使得粒子高速移動(dòng),它們向外沖形成的壓力和恒星的引力相抗衡,恒星向外的壓力與其重力平衡,就這樣它可以高興地燃燒,一直到發(fā)生重大改變。

恒星的大部分時(shí)間都處在這樣的平衡狀態(tài),這種狀態(tài)被稱為“主序”,我們的太陽(yáng)就是一顆主序星,我們應(yīng)為此感到高興,它每天能給我們提供幾乎等量的能量,這樣使得生命成為可能。

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但并不是所有的恒星都是這樣,有些比太陽(yáng)小很多,溫度要低不少,另外一些卻大很多,更炎熱。恒星的溫度體現(xiàn)在光的顏色上,像太陽(yáng)那樣的恒星,大部分的光線都是黃色的,如果太陽(yáng)變得更熱的話,主要的光會(huì)是偏藍(lán)色的,甚至是紫外線,而溫度較低的恒星釋放紅色的光芒。

小而溫度較低的紅色恒星,如比鄰星是離太陽(yáng)最近的恒星,它們被稱為“紅矮星”,它們可以小到太陽(yáng)的1/10,表面溫度要低幾千度。紅矮星是最普通的恒星,這樣黯淡的紅矮星比像太陽(yáng)一樣的恒星多得多。

當(dāng)然,當(dāng)你仰望夜空時(shí),看到的大多不是這些星星,看不到紅矮星是因?yàn)樗麄兒馨担隳芸吹降氖窍∮械牧列?,它們都很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。當(dāng)然還有巨大的藍(lán)色主序星,平均表面溫度達(dá)到華氏溫度45000度,可以有達(dá)到太陽(yáng)的20倍的物質(zhì),要明亮1萬(wàn)倍。

恒星誕生和滅亡的過(guò)程跟恒星的大小有關(guān)系,有多少物質(zhì)是很重要的,因?yàn)檫@決定恒星的生命歷程。恒星如果很大的話,壽命要比其他的小恒星小很多,這聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)奇怪,因?yàn)榇蠛阈堑娜剂细?,一般?huì)認(rèn)為它們生命更長(zhǎng),但事實(shí)上恒星越大燒的越快,比小恒星更快燒完,這違反了我們的直覺(jué)。

不妨想象一下,有兩個(gè)賭徒,我們會(huì)期待錢多的會(huì)玩得更久,因?yàn)樗摹叭剂细唷?,但是如果他是在賭大籌碼呢?。一個(gè)很有錢的賭徒每次下注一萬(wàn)美金,錢會(huì)很快用光。

同樣道理,擁有的物質(zhì)越多,溫度越高,壓力越大,核聚變的速度越快,質(zhì)量越大消耗越快。計(jì)算起來(lái)并不能看有多少燃料以及轉(zhuǎn)化率,大質(zhì)量恒星的生命消逝得更快,它們像兩頭點(diǎn)著的蠟燭,開(kāi)在生命的快車道上,大質(zhì)量恒星可能會(huì)在一百萬(wàn)年就會(huì)消失。

它是恒星死亡的最根本因素,恒星的一生都在與它抗?fàn)帲? src=

太陽(yáng)十倍大的恒星,壽命卻只有太陽(yáng)的千分之一。我們的太陽(yáng)的壽命大約為100億年,所以太陽(yáng)十倍大的恒星壽命只有一千萬(wàn)年。大質(zhì)量恒星的壽命一百萬(wàn)年計(jì),而最小質(zhì)量的恒星以百億甚至千億年計(jì)。宇宙開(kāi)始產(chǎn)生小質(zhì)量恒星百億年來(lái),誕生的每一個(gè)小質(zhì)量恒星都處于其嬰兒期,這樣的恒星距離死亡都還很遙遠(yuǎn)。

但是對(duì)于所有的恒星來(lái)說(shuō),包括我們的太陽(yáng),主序上的壽命不會(huì)永遠(yuǎn)地持續(xù)下去,恒星的壽命會(huì)持續(xù)到其燃料耗盡,當(dāng)其燃料耗盡核聚變就停止,引力就贏了。引力從不停歇,但燃料總會(huì)耗盡,所以不管是恒星還是登山者,都面對(duì)同一問(wèn)題,如果不能對(duì)抗引力,他們就無(wú)法逃避死亡。

恒星燃燒殆盡需要多久

恒星的演化并不是一蹴而就的事。氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹?,氦轉(zhuǎn)變?yōu)楦氐脑?,直到最終的災(zāi)難性結(jié)局。這期間存在著不同的階段,各個(gè)階段內(nèi)存在著很多轉(zhuǎn)化過(guò)程。

 


要理解這一切,我們就需要從恒星的誕生講起。首先,我們要找到一顆新生的恒星,它們通常存在于巨大的疏散星團(tuán)內(nèi)。

 


在一個(gè)年輕的星團(tuán)內(nèi),通常會(huì)有許多質(zhì)量各不相同的恒星。有質(zhì)量最大、溫度最高的O級(jí)和B級(jí)恒星——它們的質(zhì)量是太陽(yáng)的幾十甚至幾百倍;也有質(zhì)量最小、顏色最紅、最昏暗的M級(jí)恒星。此外還有許多所謂的“失敗的恒星”——褐矮星。恒星的顏色、亮度和質(zhì)量的關(guān)系,如下圖所示。


總的來(lái)說(shuō),在這種對(duì)應(yīng)關(guān)系中起決定性作用的,是它們的“質(zhì)量”。但是實(shí)際情況更加微妙,也更具啟發(fā)性。

 

恒星發(fā)光的根本原因是它們的內(nèi)核正在發(fā)生核聚變。即使是質(zhì)量最低的M級(jí)恒星,也包含了相當(dāng)于25000個(gè)地球質(zhì)量的物質(zhì)。這些物質(zhì)在氣體云階段時(shí),會(huì)在自身引力的作用下收縮,逐漸形成原恒星,它們內(nèi)核的密度和溫度會(huì)極大地升高,最終引發(fā)能夠自我維持的核聚變反應(yīng)。

 

質(zhì)子的鏈?zhǔn)骄圩兎磻?yīng)。Randy Russell

 

造成藍(lán)星、亮星和紅星、暗星區(qū)別的主要原因,是它們內(nèi)部的溫度。太陽(yáng)核心的溫度大約在1500萬(wàn)K,那里的核聚變反應(yīng)在一定程度上進(jìn)行得相當(dāng)迅速。

但是在恒星的外層,聚變的速度會(huì)隨著溫度的逐漸降低而呈指數(shù)級(jí)下跌。在距太陽(yáng)核心大約25%半徑的地方,溫度大約降低了二分之一,而聚變的速度只有核心的1%都不到。


這就是為什么溫度是太陽(yáng)一半的恒星存活期是太陽(yáng)的一百倍,而那些超級(jí)熾熱、質(zhì)量是太陽(yáng)數(shù)百倍的恒星,連太陽(yáng)壽命的0.1%都活不到。




這是恒星的先天因素。而在恒星的一生中,隨著它們持續(xù)燃燒,燃料會(huì)逐漸消耗。燃料的消耗會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部區(qū)域發(fā)生坍縮。坍縮是一種在絕熱條件下發(fā)生的體積變化,也就是說(shuō)熱量不會(huì)向外部轉(zhuǎn)移。因此該區(qū)域的熵將保持不變,但是溫度卻會(huì)上升。于是聚變反應(yīng)會(huì)逐層向外推進(jìn),聚變速度也會(huì)加快。
這就意味著恒星的溫度和亮度會(huì)隨著它們年齡的增長(zhǎng)而逐漸上升。

 


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恒星的燃燒會(huì)產(chǎn)生輻射壓,這種輻射壓能夠抵擋住引力引發(fā)的坍縮。太陽(yáng)之所以能夠保持球形,就是因?yàn)槠鋬?nèi)核持續(xù)產(chǎn)生的向外輻射壓和向內(nèi)的引力拉扯大致相等。但是一旦恒星內(nèi)核以及恒星各層結(jié)構(gòu)中的燃料耗盡,輻射壓陡然下降,引力就會(huì)勝出。

 

在這個(gè)時(shí)候,恒星面前只有兩個(gè)選擇:要么收縮內(nèi)核,提高溫度,點(diǎn)燃更多元素——無(wú)論是氫、氦,還是許多大質(zhì)量恒星中的碳——進(jìn)行核聚變反應(yīng);要么不收縮內(nèi)核,等待溫度升高,直至下一階段的聚變反應(yīng)開(kāi)始——太陽(yáng)演化到晚期時(shí)可能就會(huì)這樣。


 

氦核的形成需要很久——即使對(duì)于大質(zhì)量恒星而言也需要用上幾百萬(wàn)年時(shí)間。氦的燃燒時(shí)間只有氫的10%。而從碳的燃燒開(kāi)始,直至鐵核的形成,并最終導(dǎo)致超新星爆發(fā),只需一千年左右。

 



正如50-70億年后的太陽(yáng)那樣,當(dāng)一個(gè)類日恒星的內(nèi)核氫燃料耗盡后,會(huì)首先膨脹為一個(gè)亞巨星。這段時(shí)間會(huì)持續(xù)大約幾億年,隨后氦被點(diǎn)燃,膨脹成紅巨星。在成為亞巨星前,它會(huì)首先離開(kāi)主序階段。
相對(duì)于主序階段而言,其他階段都較快?!爸餍颉钡囊馑伎梢岳斫鉃楹阈且簧械闹饕A段。

在質(zhì)量相對(duì)較高的恒星內(nèi)部,溫度決定了一切。對(duì)流作用在那里相當(dāng)緩慢,因此不足以把所有元素充分地混合在一起。這就是為什么太陽(yáng)在幾十億年后耗盡它自己制造出來(lái)的氦后會(huì)熄滅;除了質(zhì)量最小的M級(jí)恒星,新的元素若想循環(huán)進(jìn)入恒星內(nèi)核需要幾千億年時(shí)間。

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