從赫羅圖看恆星的演化

2021-02-08 回到2049

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昨天說了赫羅圖的誕生,基本沒說明白,今天我要努力找回些許尊嚴,我們以赫羅圖為基礎來看恆星的演化,搞明白了帶妹妹看星星說不定用得上,這部分內容相比於昨天就簡單多了,因為今天是正宗的炒冷飯。

赫羅圖

恆星在不斷演化,它的光度和表面溫度也會有所變化,如此一來,恆星在赫羅圖上的位置,便會沿著一定的路徑移動,從而描繪出一條演化程。所以,赫羅圖不僅能給各類恆星以特定的位置,而且還能顯示出它們各自的演化歷程,從而成為研究恆星必不可少的重要手段。


在赫羅圖上,大多數恆星都分布在從左上方到右下方的「主星序」上,這些恆星被稱為「主序星」。太陽差不多就位於主星序的中部。在主星序的右上方,另有一條比較鬆散的橫帶,這被稱為「巨星支」,散布於其中的恆星就是「巨星」,它們的光度比同樣溫度的主序星高得多。在巨星的上方還有一些光度特別高的星,這被稱為「超巨星」。另外,在赫羅圖的左下方,是一些溫度高、顏色白,但是光度很小的恆星,這就是白矮星。接下來我們就以赫羅圖為基礎,來看看恆星的演化。

主星序

巨星支

超巨星

白矮星

首先是誕生。在廣袤的太空中,有著許許多多極其巨大的「雲」,它們由非常稀薄的氣體和塵埃組成,其中最主要的成分就是最簡單的化學元素——氫。之後,星雲中的氣體和塵埃,由自身的萬有引力驅使,不斷地往一塊兒聚集。於是,雲的體積變得越來越小,密度越來越大,同時溫度也不斷地升高。當雲的中心溫度超過700萬開爾文時,那裡就會發生每4個氫原子核聚合成1個氦原子核的反應,也就是所謂的「熱核聚變」,同時釋放出巨大的能量,一顆新的恆星就這樣誕生了。


恆星一旦形成,就會在赫羅圖上佔據一個位置。質量比太陽小的恆星,光度小、溫度低,進入主星序的下部。而質量比太陽大的恆星,光度大、溫度高,進駐到主星序的上部。質量和太陽相近的恆星,光度和溫度都適中,佔據主星序的中部。


處於主序星階段的恆星,自身的引力和從內向外的輻射壓力勢均力敵,所以恆星既不收縮也不膨脹,處於平衡狀態,亮度也基本保持不變。當然了,不同質量的恆星處於主星序階段的時間也互不相同:質量特別大的恆星就好似一隻特大型的核燃燒爐,內部的熱核聚變反應非常猛烈,核燃料消耗地特別快,很快就燒完了。所以它們的青壯年時期較短,很快就進入了老年;相反的,小質量恆星內部的熱核聚變進行得比較平緩,核燃料消耗得很慢,所以它們的青壯年時期就要長得多。太陽就已經在這一階段度過了50億年,而且還將繼續這樣續上50億年。質量比太陽大15倍的恆星,停留在主序星階段的時間只有1000萬年,而質量僅為1/5太陽質量的恆星,在主序星階段逗留的時間可長達1萬億年。正因為大部分恆星都處於一生中的主序星階段,所以赫羅圖中主星序上的恆星就特別密集。


當然了,不管你能多長壽,恆星早晚都要離開主星序的階段。當恆星核心部分的氫燃料已經消耗掉很多,不能再像以往那樣產生能量、維持正常的發光時,恆星便會在自身引力的壓迫下再度收縮,其核心部分的溫度隨之急劇上升,並發出巨大的能量。這股力量把恆星的外圍部分迅速地推出去,致使星體變得十分巨大,發光的表面積也迅速增大,從而變得更加明亮。與此同時,它的表面溫度卻降低了,顏色趨於暗紅,於是,這顆恆星就變成了紅巨星。

紅巨星與太陽

度過主星序階段後,恆星在赫羅圖上的位置就從主星序向右上方移動,進入紅巨星區域。然後,恆星內部比氫原子核更重的一些原子核也依次引發熱核聚變。首先是三個氦原子核聚變成一個碳原子核,繼而是碳原子核進一步聚變,如此不斷進行下去,直到最後形成鐵原子核。這是因為鐵是一種難以發生核聚變反應的元素,也就是說,鐵不能成為維持恆星內部繼續燃燒的核燃料。以上這些反應都進行得很劇烈,所以不能維持很長時間。


當恆星內部的各種核燃料都耗盡時,星體往往會將一部分外層物質拋入太空。有些大質量恆星則會猛烈爆發,並拋出大量表層物質,從而成為新星甚至超新星。而剩下的核心部分,則依照不同的具體情況,而有著不同的歸宿。


具體來看,恆星在爆發中喪失了巨大能量,其殘留物質便喪失了與引力抗衡的能力,於是就在強大的引力作用下,發生了非常猛烈的坍縮。坍縮後的恆星體積變得很小,所以物質密度變得極其巨大。


恆星爆發後,如果發生坍縮的殘留物質的質量不超過太陽質量的1.4倍,那麼最終將會坍縮成一顆白矮星。恆星由紅巨星演化為白矮星,在赫羅圖上的表現,就是從右上方迅速移到了左下方。


一顆質量與太陽相當的白矮星,體積僅僅像地球那麼大,所以其物質密度必定非常之高。那麼這種超高密度究竟是怎樣造成的呢?這是因為,在白矮星內部,星體自身的強大引力把組成星體的原子都壓碎了,電子被擠出原子,原子核和原子核彼此相互擠壓在一起,整個星體的體積因此而大為縮小。處於這種狀態下的物質被稱為「簡併物質」,它們會產生一種特殊的「簡併壓力」。在白矮星中,正是由於電子的簡併壓力頂住了星體自身的引力,才使得劇烈的坍縮最終停頓下來。

成為白矮星的太陽

而如果一顆恆星爆發後殘留的物質質量超過太陽質量的1.4倍,而又小於太陽質量的3倍,那麼它就會一直坍縮到這樣的程度,那就是本來在原子核外面的電子,被擠壓到了原子核裡面,並與原子核內的質子結合為中子。這時,整個星體幾乎全部由相互擠在一起的大量中子組成,所以它的物質密度比白矮星還要高很多。在中子星內部,中子的簡併壓力與星體自身的引力相抗衡,最終制止了更進一步的坍縮。一顆中子星的直徑僅有一二十公裡,質量卻可以達到太陽的兩三倍,所以它的密度高達每立方釐米上億噸。


最後,質量特別巨大的恆星最終坍縮時,形成的就是黑洞了,任何東西都將在引力的作用下被壓得粉身碎骨。


總之,恆星的壽命有長有短,但它們的一生都是這樣度過的。在赫羅圖上,主序星是青壯年時期的恆星,紅巨星是老年恆星,白矮星就已經到了臨終期。赫羅圖上大部分恆星都分布在主星序上,這既說明大多數恆星都正處於青年和壯年時期,也說明青壯年時期佔據了恆星一生中的大部分時間。


好了,今天的冷飯就炒完了。最近冷飯炒的比較多,這預示著我可能要憋個大的了,而且不是一般的大的了。我估計今天的內容對你撩妹也沒有什麼幫助,所以帶妹妹看星星的時候,不妨就簡單地跟她說:閃爍的星星,是我的眼睛,因為愛情,所以亮晶晶。

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