恒星的形成與演化-

1、恒星的形成與演化一、恒星的形成恒星是茫茫宇宙中除太陽、月亮和少數(shù)行星之外最引人注目的天體.早在上古時代,人們就對恒星充滿了好奇與幻想,中外都流行著非常動人的神話傳說.然而,直到望遠鏡出現(xiàn)后,人們才對恒星有了最基本的認識,了解到恒星在天空中并不是恒定不變的.到了 2 0世紀初,愛因斯坦發(fā)表了著名的質(zhì)能關系,人們對原子核反應所產(chǎn)生的巨大能量逐步認識,知道了恒星能量的來源,才漸漸認識到恒星本身也有生命周期,它們像人一樣會出生、生長、老去直至死亡.然而,恒星的出生在相當長的時間里還是個謎,直到2 0世紀6 0年代,天文學家在星際空間發(fā)現(xiàn)了分子氣體,以及嵌埋其中的低溫原恒星( p r o t o s t

2、 a r ,才對恒星的出生場所及過程有了最初步的了解.經(jīng)過 4 0年的研究,天文學家對恒星的出生過程有了相當充分的理解,特別對小質(zhì)量恒星而言更是如此.現(xiàn)在已經(jīng)很清楚,恒星是在以分子氣體為主的星際分子云中生成的,由于分子云自身的引力作用,開始自身的塌縮并形成所謂的年輕星天體( y o u n g s t e l l a r o b j e c t s ,這些年輕星天體經(jīng)過快速演化最終形成恒星.為了對恒星進行分類,天文學家將小于太陽質(zhì)量3倍的恒星稱為小質(zhì)量星,3 8倍的稱為中等質(zhì)量星,而大于8倍太陽質(zhì)量的則稱為大質(zhì)量星.這一分類并不僅僅是表象的不同,事實上它代表了不同類型的恒星形成時不同的物理過程

3、.(一小質(zhì)量恒星形成的理論與觀測一般認為,恒星是通過分子云核( mo l e c u l a r c o r e 的塌縮而形成的.在銀河系內(nèi),存在一類由分子氣體組成的天體,由于它們呈彌散的云霧狀形態(tài),因此被稱為分子云( mo l e c u l a r c l o u d ,其總質(zhì)量約占銀河系可視物質(zhì)質(zhì)量的1%,其溫度很低,大約為1 0 K .分子云在星際空間緩慢演化,在某些局部形成密度相對較高的區(qū)域,被稱為分子云核.隨著分子云核的進一步演化,其內(nèi)部的熱運動壓力不能再抵御自身的引力,便開始了所謂引力塌縮,最終形成恒星.根據(jù)研究,從分子云核演化成一顆恒星經(jīng)過了以下4個階段: ( 1 云核階段:分

4、子云核內(nèi)氣體運動壓力、磁壓、引力及外部壓力處于基本平衡狀態(tài),云核緩慢收縮,溫度開始緩慢上升,形成熱分子云核;( 2 主塌縮階段:當分子云核的內(nèi)部壓力不能抵抗自身引力時,就開始了塌縮.由于云核中心密度較高,塌縮區(qū)域最初位于中心,并以當?shù)芈曀傧蛲鈹U張,這就構(gòu)成“先內(nèi)后外”的塌縮( i n s i d eo u t c o 1 .1 a p s e .塌縮形成一個致密的核心,巨大的引力能使中心溫度迅速升高.由于云核的自轉(zhuǎn),外部物質(zhì)不會直接落到核心,而是在核心周圍形成一個致密的盤狀結(jié)構(gòu),稱為吸積盤( a c c r e t i o n d i s k ;( 3 主吸積階段:由于角動量及磁通量守恒原理,

5、最終成為恒星組成部分的物質(zhì)并不能直接落到中心星上,而是落在吸積盤上,吸積盤通過一系列復雜的過程,將多余的角動量向外傳遞,使中心星的質(zhì)量得以繼續(xù)增加,因此,吸積盤在恒星形成活動中起了至關重要的作用.在此期間,為了釋放角動量,系統(tǒng)還通過目前尚不可知的機制向兩極方向拋射物質(zhì),形成質(zhì)量外流(outflow.恒星的大部分質(zhì)量都是通過吸積獲得的,巨大的引力能使中心星的溫度急劇上升,從而點燃了星中心區(qū)域的氘.( 4 殘余物質(zhì)驅(qū)散階段:質(zhì)量外流在這一階段繼續(xù)存在,外流與星風的作用使恒星形成的殘余物質(zhì)遠離中心星,星周物質(zhì)以及盤物質(zhì)變得稀薄,外流的開口張角漸漸變大.中心星仍然從盤中吸積物質(zhì)但其速率已經(jīng)很小,中心星

6、的質(zhì)量不會再有實質(zhì)性的增長,更多的是準靜態(tài)收縮.中心星的核心部分這時可能已經(jīng)開始了氫燃燒,外部出現(xiàn)了對流層.當這一階段結(jié)束時,我們就可以在宇宙空間看見一顆性質(zhì)不同的恒星,被稱為主序星.以上4個階段為小質(zhì)量恒星形成理論所預言而在觀測上都得到了證實.在觀測上,天文學家利用不同波段的觀測發(fā)現(xiàn)了4類年輕星天體,其能譜特征基本符合上述4個階段.他們還發(fā)現(xiàn)了圍繞小質(zhì)量年輕星天體的吸積盤,以及伴隨恒星形成活動的質(zhì)量外流.質(zhì)量外流在電磁波的各個波段都有表現(xiàn),如射電波段的分子外流及噴流,紅外波段的噴流,以及光學波段的赫比格一哈羅天體( H e b i gH a r o o b j e c t .光學和紅外光譜觀

7、測還發(fā)現(xiàn)了年輕星天體的質(zhì)量吸積特征,有幾項射電波段的觀測聲稱找到了分子云核的塌縮特征,雖然這些觀測還需要進一步的證實.總之,雖然在一些細節(jié)上還有待證實,小質(zhì)量星的形成之迷已經(jīng)為天文學家所揭示,由此發(fā)展的小質(zhì)量星形成理論被認為是正確的.(二大質(zhì)量星形成理論與觀測大質(zhì)量星能否像小質(zhì)量星那樣,通過塌縮和吸積而成?這是一個很自然的想法.但在經(jīng)典的理論模型計算中,如果使用與小質(zhì)量星相同的模型參數(shù)則當年輕星的質(zhì)量大于太陽的10倍時,它所釋放的光子光壓足以抵御自身的引力,使得吸積盤中的物質(zhì)所受的凈力方向向外,從而停止吸積過程,中心星的質(zhì)量不再繼續(xù)增加.這意味著恒星的最大質(zhì)量為 1 0倍太陽質(zhì)量,但這與實際情

8、形是明顯不符的,因為已經(jīng)觀測到100倍太陽質(zhì)量的恒星.當然,在不改變基本假設的情況下也有解決這一困難的方法.例如,理論天體物理學家提出,減小星周物質(zhì)的不透明度,可以使它們所受到的光壓減小,理論上,這種假設可以使恒星的最大質(zhì)量達到太陽質(zhì)量的40倍.另外,考慮到外流的存在,如果大量光子從年輕星的兩極溢出(因為兩極的物質(zhì)相對稀薄,能有效地釋放光壓.最新的理論研究表明,如果光子從外流所形成的空腔中逃逸,可以使恒星最大質(zhì)量達到60倍太陽質(zhì)量,甚至更大.至此,理論天體物理學家提供了兩種不同的大質(zhì)量星形成的模式,即吸積說(像小質(zhì)量星形成一樣與并合說.解決爭論的唯一途徑是通過觀測,但由于目前的觀測條件所限,我

9、們不能直接看見發(fā)生在大質(zhì)量星附近的事件,只能通過觀測大質(zhì)量周圍的現(xiàn)象推測理論的正確性.回憶小質(zhì)量星形成的理論,可知吸積學說預言恒星形成時存在雙極質(zhì)量外流以及吸積盤.另一方面,并合說指出,由于年輕星碰撞合并等劇烈的動力學過程,星周盤將在這一過程中被瓦解;并合時可能引發(fā)物質(zhì)的向外噴射,與外流有些相似,但一般不會出現(xiàn)高準直的雙極型形態(tài).二、恒星的演化1.引力收縮階段恒星最初誕生于太空中的星際塵埃,科學家形象地稱之為“星云”或者“星際云”,其主要成分由氫組成,密度極小,但體積和質(zhì)量巨大。密度足夠大的星云在自身引力作用下,不斷收縮、溫度升高,當溫度達到1000萬度時其內(nèi)部發(fā)生熱核聚變反應,核聚變的結(jié)果是

10、把四個氫原子核結(jié)合成一個氦原子核,并釋放出大量的原子能,形成輻射壓,當壓力增高到足以和自身收縮的引力抗衡時,一顆恒星誕生了。2.主序星階段恒星以內(nèi)部氫氦聚變?yōu)橹饕茉吹陌l(fā)展階段就是恒星的主序階段,這是恒星的“青年時代”,是恒星一生中最長的黃金階段占據(jù)了它整個壽命的90%。這段時間,恒星相對穩(wěn)定,向外膨脹和向內(nèi)收縮的兩種力大致平衡,恒星基本上不收縮也不膨脹,并且以幾乎不變的恒定光度(所謂“光度”,就是指從恒星表面以光的形式輻射出的功率發(fā)光發(fā)熱,照亮周圍的宇宙空間。不同的恒星停留在主序階段的時間隨著質(zhì)量的不同而相差很多。質(zhì)量越大,光度越大,能量消耗也越快,停留在主序階段的時間就越短如質(zhì)量等于太陽質(zhì)

11、量的15倍、5倍、1倍、0.2倍的恒星,處于主序階段的時間分別為一千萬年、七千萬年、一百億年和一萬億年。3.紅巨星階段當一顆恒星度過它漫長的青壯年期(主序星階段,步入“老年期”時,它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。由于熱核反應中氫的燃燒消耗極快,中心形成氦核并且不斷增大。隨著時間的延長,氦核周圍的氫越來越少,中心核產(chǎn)生的能量已經(jīng)不足以維持其輻射壓,于是平衡被打破,引力占了上風。有著氦核和氫外殼的恒星在引力作用下收縮,氫的燃燒則向氦核周圍的一個殼層里推進。這以后恒星演化的過程是:內(nèi)核收縮、外殼膨脹燃燒殼層內(nèi)部的氦核向內(nèi)收縮并變熱,而恒星外殼則向外膨脹并不斷變冷,表面溫度大大降低,這個過程僅僅持續(xù)數(shù)十萬年,

12、這顆恒星在迅速膨脹中變?yōu)榧t巨星。由于體積將膨脹到十億倍之多,十分巨大,所以稱它為“巨星”;在恒星迅速膨脹的同時,它的外表面離中心越來越遠,質(zhì)量易于拋失,溫度越來越低,發(fā)出的光也就越來越偏紅,所以稱之為“紅”巨星,但由于體積巨大,它的光度也變得很大,極為明亮。肉眼看到的最亮的星中,許多都是紅巨星。4.爆發(fā)階段紅巨星階段后,恒星進入“晚年”。此時的恒星是很不穩(wěn)定的總有一天它會猛烈地爆發(fā)。到那時,整個恒星將以一次極為壯觀的爆炸來了結(jié)自己的生命,把自己的大部分物質(zhì)拋射向太空中,重新變?yōu)樾窃?同時釋放出巨大的能量。這樣,在短短幾天內(nèi),它的光度有可能將增加幾十萬倍,這樣的星叫“新星”。如果恒星的爆發(fā)再猛烈

13、些,它的光度增加甚至能超過10 0 0萬倍以至萬萬倍,這樣的恒星叫做“超新星”。這就是天文學中著名的“超新星爆發(fā)”。超新星爆發(fā)的激烈程度是讓人難以置信的。它在幾天內(nèi)傾泄的能量,就像一顆青年恒星在幾億年里所輻射的那樣多,以致它看上去就像整個星系那樣明亮!新星或者超新星的爆發(fā)是天體演化的重要環(huán)節(jié)。它是老年恒星輝煌的葬禮,同時又是新生恒星誕生的推動者。超新星的爆發(fā)可能會引發(fā)附近星云中無數(shù)顆恒星的誕生。另一方面,新星和超新星爆發(fā)的灰燼,也是形成別的天體的重要材料。如今天地球上的許多物質(zhì)元素就來自那些早已消失的恒星。5.高密度階段經(jīng)過爆發(fā)后,超新星只留下一個高密度殘骸,而不再是一顆恒星了,中心留下的高密

14、度天體,也許是白矮星,也許是中子星,甚至可能是黑洞。質(zhì)量在1-3倍太陽質(zhì)量以下的恒星,在離開主星序帶后便無劇烈變動地失去足夠的質(zhì)量,相對平和地結(jié)束生命而變成一顆白矮星。白矮星的體積小、亮度低,但質(zhì)量大、密度極高。質(zhì)量中等( 3倍太陽質(zhì)量 的恒星將會以超新星爆發(fā)的方式結(jié)束自己的生命。爆炸后幾秒內(nèi),核心開始塌縮,最終塌縮成致密的中子星。中子星體積更小,但質(zhì)量、溫度、壓力、密度都遠遠大于白矮星,中子星的密度為10e11kg/cme3,也就是每立方厘米的質(zhì)量競為一億噸之巨! 半徑十千米的中子星的質(zhì)量就與太陽的質(zhì)量相當了.中子星還有極強的磁場,并且不向宇宙空間發(fā)出電磁脈沖信號?？焖傩D(zhuǎn)的中子星射電脈沖的周期性非常有規(guī)律,這樣的中子星又被叫做脈沖星。脈沖星的發(fā)現(xiàn),被稱為20世紀60年代的四大天文學重要發(fā)現(xiàn)之一。中子