連載| 恆星的一生(二):主序階段

2020-11-22 搜狐網

原標題：連載 | 恆星的一生（二）：主序階段

連載 | 恆星的一生（一）：恆星誕生記

正文共：2150 字 5 圖

預計閱讀時間： 6 分鐘

質量決定命運

新生的恆星有不同的大小，直徑最小的不到太陽直徑的一半，最大的可達20多倍的太陽直徑；它們還有不同的顏色，從紅到藍。這些不同的特性，取決於恆星形成時所聚集的物質多少。如果恆星形成時聚集的物質更多，最終形成的恆星質量和體積就會更大，恆星的表面溫度也會更高，因此會輻射波長更短的光而呈現偏藍的顏色；反之，小質量的恆星表面溫度通常更低，輻射出的光線中屬於長波成分的紅色更多，因此看上去偏紅。而恆星質量大小對恆星的影響還遠不止這些，它從一開始就決定了恆星的壽命，設計好了恆星生命的幾乎一切劇情。

上面提到，恆星的顏色（本質上是光譜能量分布特徵）與恆星表面的有效溫度有關。這樣一來，通過研究恆星光譜特徵，我們就可以了解恆星的溫度信息。哈佛大學天文臺的皮克林從19世紀末開始，組織以安妮·坎農為首的十幾位女天文學家，開展了大規模的恆星光譜分類研究。他們的研究成果最終形成了著名的恆星光譜分類方法：哈佛分類法。按照哈佛分類法，恆星按表面有效溫度依次降低的順序可以分為O-B-A-F-G-K-M幾類。每一種光譜型又可以根據譜線相對強度分為1到10共十個次型。典型的O、B型星呈現藍白色，恆星分類越靠近M型，則呈現更紅的顏色。

安妮·坎農照片（攝於1922年）

圖片來源：By New York World-Telegram and the Sun Newspaper [Public domain], via Wikimedia Commons

不過，哈佛分類法只考慮到了恆星的有效溫度，沒有考慮恆星之間還存在光度的差別。20世紀40年代，美國葉凱士天文臺的威廉·摩根、菲利普·基南和伊迪絲·凱爾曼在哈佛分類法的基礎上，提出了同時考慮溫度和光度的葉凱士分類法（MKK系統），即在哈佛分類標記後面加上一個羅馬數字來表示恆星光度，即：I，超巨星；II，亮巨星；III，正常巨星；IV，亞巨星；V，主序星；VI，亞矮星；VII，白矮星。太陽是一顆G2V型恆星，即G型恆星第2個次型的第V種，屬於主序星。

太陽大氣的圖像

圖片來源：NASA/SDO（太陽動力學天文臺）

不同光譜型主序恆星的顏色、大小比較（太陽是G型主序恆星）

圖片來源：©Rursus/維基百科

何謂「主序」

那麼「主序」一詞的來歷是什麼呢？這必須要說到恆星天文研究中很重要的一張圖——赫羅圖（見下方），圖的橫坐標是橫行的顏色（或者溫度），縱坐標是星等（或者光度）。天文學家將大量的不同恆星按照這兩個特徵畫在一張赫羅圖上，發現大部分恆星落在斜對角的一個條帶上（圖中標示的「主星序」）。這個條帶英文叫做「Main Sequence」，翻譯成漢語就是「主（星）序」。

銀河系內恆星的赫羅圖

圖片來源：ESO/維基百科

大部分被觀測的恆星落在主序帶究竟意味著什麼呢？天文學家的研究表明，每一顆恆星都要經歷主序階段；由於主序階段在恆星一生中所佔的時間最長，因此我們一眼望去，大部分恆星都處在主序階段。

主序階段主要是指恆星內部發生熱核反應燃燒氫元素生成氦元素，並保持穩定的階段。上期結尾提到，這個階段中，輻射壓力與引力相平衡，熱核反應產生的能量與恆星向外輻射的能量相平衡。

不過，由於恆星內核的氫元素終將被熱核反應耗盡，恆星不能永遠保持在穩定的主序階段，而是會脫離主序，而後走向死亡。

大質量的恆星由於消耗氫的速度遠快於小質量的恆星，因此具有比小質量恆星更短的主序階段時間和更短的總壽命。理論計算表明，太陽在主序階段大約會停留100億年的時間。太陽形成於大約46億年前，所以它正處於壯年時期。而一個具有10倍太陽質量的恆星，主序階段的時間僅有約兩千萬年，相比之下就太短了。從分子雲到進入主序階段，太陽經歷了幾千萬年，這相比於太陽主序階段的時間，也是一個很小的數字。大質量恆星從分子雲到進入主序階段，用的時間還遠遠更短。

主序星內部的熱核反應主要有兩種過程。一種是質子-質子反應鏈，這是質量和太陽相當和比太陽輕的恆星產能的主要過程，在此過程中氫原子核（質子）聚變形成氦-4，反應前後減小的質量轉化成能量，以伽馬射線和中微子的形式釋放出去。伽馬射線與恆星內部的電子和質子相作用，使恆星內部升溫，提供對抗引力的輻射壓力從而使恆星保持穩定。另一種過程是碳-氮-氧循環，是質量比太陽大的恆星的主要能源。在這個過程中，碳、氮、氧作為催化劑，將氫原子核（質子）轉化為氦-4，反應前後的碳、氮、氧不會增多。

太陽核心發生的質子-質子反應示意圖

圖片來源：©Sarang/維基百科

主序星通過熱核反應持續產生使它發光發熱的能量。我們地球上的生物得以生存，歸根結底也得益於太陽內核持續穩定的熱核反應，因為太陽提供了適宜生物生存的溫度和人類所需的能源。當一顆恆星內核的氫被熱核反應消耗完時，它便行將就木，即將走到生命的終點。

更多內容，敬請關注本次主題連載的終篇、下期文章《恆星的一生（三）：恆星的晚年——壯麗的結束》。

作者介紹

傅煜銘，天體物理學在讀博士生，新浪微博@傅煜銘返回搜狐，查看更多

責任編輯：

相關焦點

  • 細說恆星的一生——從赫羅圖上尋跡恆星的身世
    首先主星序表明大多數恆星都服從溫度越高，光度越強的規律，其實這也是斯特藩-玻爾茲曼定律顯示的必然結果。我們說太陽它就是一顆非常標準的主序星，當然我們也知道太陽在光度上，它實際是屬於矮星這個範疇，主序星是恆星一生當中最穩定的階段，停留時間最長，所以說我們的太陽要在主序上停留的時間就非常長，大概是100億年，它目前正處於並將長期處於主序階段，繞著主序星運行的系外行星才被一些天文學認為是真正意義上的系外行星。這是不是說主序階段意味著它是恆星生命的主體呢？
  • 獵戶座中的七大亮星哪個將要脫離主序階段?哪個實際最亮?
    在獵戶座中，位於頭部的亮星是觜宿一，左肩和右肩分別是參宿四和參宿五，中間的腰帶是參宿一、參宿二和參宿三，左腳和右腳分別是參宿六合參宿七。從肉眼可以很直觀地看出來，在參宿的七大恆星中，參宿四看起來呈現為橙紅色，而其他幾顆亮星看起來都是白色的。
  • 赫羅圖:恆星的一生
    HR圖不僅可以告訴我們恆星的相關信息，還揭示了恆星的演化規律；隨著恆星的演變，其光度與溫度發生變化，在HR圖上的位置也隨之改變。最初形成恆星的分子雲，冷寂而黯淡，位於圖像的極右區。隨著分子雲的坍縮，其體積減小，溫度上升，成為原恆星；直至原恆星的內部溫度達到熱核聚變發生的條件，有了足以維繫生命的能量來源——一顆恆星就這樣誕生了。
  • 恆星的一生是怎樣的?
    一顆原始的恆星誕生了。在反抗引力的持久鬥爭中，恆星的主要武器是核能。它的核心就是一顆大核彈，在那裡不斷地爆炸。正是因為這種核動力能自我調節得幾乎精確地與引力平衡，恆星才能在長達數十億年的時間裡保持穩定。熱核反應發生在極高溫度的原子核之間，因而涉及物質的基本結構。在太陽這樣的恆星中心，溫度達到一千五百萬開氏度，壓強則為地球大氣壓的三千億倍。
  • 科普:恆星的生命旅程是怎樣的,它最終的宿命是什麼
    恆星的生命周期實際上就是萬有引力和內部壓力的鬥爭。 恆星的大部分生命是在主序階段度過的。大多數恆星，特別是我們的太陽，將氫聚變成氦和氦，再聚變成更重的元素，如碳、氧，甚至鐵和鎳。
  • 天文學家如何測出恆星的質量?
    在夜空中，通過肉眼直接能夠看到的星星幾乎全是恆星。但由於那些恆星遠離地球，我們在地球上無法感受到它們的熱量，只能勉強看到它們。事實上，恆星本身又大又熱，而且距離我們非常遙遠，那麼，天文學家是如何測出恆星的質量呢？
  • 恆星的壽命與時間存在著什麼樣信息
    假設同時點燃這3根蠟燭，然後觀察隨著蠟燭火焰的變化，時間是怎麼流逝的，大蜡燭燒完了我們就知道已經過去了1個小時了，中蠟燭也燒完了那麼2個小時過去了，隨著小蠟燭的燒完3個小時過去了，因此只要觀察在蠟燭臺上面還有幾根蠟燭，以及相對來講大蜡燭是哪一根就可以知道現在是什麼時刻了，所以主序測定法其實就是利用這個道理。
  • 恆星的一生是怎樣的？太陽最終會毀滅地球嗎？
    這些較小的雲團最終將各自成為一顆恆星。由於星際物質的質量通常非常巨大，通常在太陽的一萬倍以上，所以恆星總是一下子一大批地降生。　溫度達到二千度左右時，氫分子開始分解成為原子。核心開始再度收縮，收縮時釋放出的能量將把所有氫分子都分解為原子。這個新生的核心比今天的太陽稍大一些，不斷向中心落下的外圍物質最終都要落到這個核心上，一顆質量和太陽一樣的恆星就要誕生了。
  • 信步天庭，大放異彩——恆星的演化
    X射線下的車輪星系Credit：NASA/CXC消亡的開始——亞巨星的誕生類太陽恆星在主序階段偶爾會爆發耀斑和黑子這裡我們舉一個五車二（capella，α Aur）的例子，這顆黃色巨星的質量約為太陽的2.5倍，半徑為12倍，視星等-0.08等，距離地球42光年。五車二目前正處於由主序星向紅巨星轉變的中間階段，也就是我們剛剛說的亞巨星階段。
  • 木星的體積比最小的恆星還要大,為什麼它不能成為恆星呢
    銀河系中處於主序階段最小的恆星是EBLM J0555-57Ab，它是一顆距離我們有600光年遠的紅矮星。雖然它是主序恆星，但它的體積卻非常小，平均半徑只有5.9萬公裡，只比土星要大一點。太陽系中有兩顆天體比它還大，一顆是太陽，另一顆也是充滿氫氣的木星。
  • 恆星的一生是什麼樣的?
    恆星晴朗的夜晚仰望蒼穹，滿天繁星，那一顆顆星星都是恆星。大多數天文學家觀察分析認為，恆星是由瀰漫物質形成的。恆星由形成、發展到衰亡，一般要經過下面幾個階段。早期形成的恆星二、主星序階段由於收縮當恆星內部的溫度升高到700萬度時，開始了氫聚變為氦的熱核反應，核反應放出巨大能量，強大的光和熱產生從內向外的巨大壓力增高到引力完全相平衡的地步。
  • 是什麼決定了恆星的命運?不同階段的恆星消耗燃料的速度是多少?
    簡單的答案是「恆星不同的質量」，這個因素是唯一決定恆星一生命運的因素。 接下裡有兩種選擇：要麼核心可以充分的收縮和升溫，以點燃更多的聚變，無論是氫、氦，還是在最大規模的恆星中的碳聚變或其他更重元素的聚變；要麼恆星核心開始保持惰性，因為恆星質量較小的緣故，無法收縮升溫到足以燃燒下一階段的燃料，在這種情況下，恆星生命的終點就即將來臨。
  • 恆星的演化過程是怎樣的?
    這些恆星的生命周期在光譜光度圖用向下的曲線表示。質量大約在0.05至0.07太陽質量之上的恆星在收縮過程中變得越來越熱，直到它們的核心足夠熱以開始燃燒氫氣。當一顆恆星「開啟」它的氫燃燒階段時，說明它已達到它生命周期的「主星序」，並且可以算是一顆真正的恆星，而不是原恆星，褐矮星或行星。「主星序」在光譜光度圖上以一條曲線表示，代表燃燒氫的恆星，將自身熔化成氦。
  • 宇宙中最大的恆星能大到什麼程度?
    那麼，在這些恆星中，最大的能有多大呢？對於處在主序階段的恆星，也就是那些正在進行氫核聚變的恆星，太陽以及夜空中肉眼可見的恆星都是屬於這類恆星。它們的質量越大，半徑也會越大。然而，當恆星離開主序階段時，它們會開始氦核聚變，由此會導致外層劇烈膨脹，從而演變為體型龐大的紅巨星、或者紅超巨星、甚至是紅特超巨星。因此，在談論最大恆星時，需要區別是質量最大，還是體積最大。
  • 恆星的一生是怎樣的 恆星具有哪些特性
    恆星是由非固態、液態、氣態的第四態等離子體組成的，是能自己發光的球狀或類球狀天體。由於恆星離我們太遠，不藉助於特殊工具和方法，很難發現它們在天上的位置變化，因此古代人把它們認為是固定不動的星體，我們所處的太陽系的主星太陽就是一顆恆星。
  • 「大陵佯謬」實際上反映了雙星中物質交流對恆星演化的影響
    作者：黃媂孤立恆星的演化在很多情況下，恆星是處在雙星系統裡面的，由於兩個恆星它們之間可能會相互地影響，這就使得恆星演化會偏離孤立恆星演化的預言，甚至有些時候會產生一些孤立的恆星演化理論，導致一些特別的天體無法預言
  • 長圖 恆星的一生
    每當夜幕降臨，仰望星空，我們來到璀璨的恆星世界。幾千年前，人們就開始了對恆星的研究，而如今恆星的整體框架已經形成。今天就讓我們隨著這篇漫畫長圖去領略恆星所經歷的一生。
  • 恆星一定比行星大嗎?研究表明:有的大行星圍繞小恆星周轉
    放眼整個宇宙，最為常見的兩種天體應該是行星和恆星了。無論是在體積還是質量上，恆星一般都要比行星大。尤其是在質量方面，恆星毋庸置疑會比行星重，這樣它才能夠產生足夠的引力將周圍的行星束縛住，從而形成恆星系統。以我們的太陽係為例，太陽位於星系的中心位置，因為它自身就擁有了整個太陽系99%以上的質量。