全方位揭秘恒星的生與死，過程漫長而宏偉！

星云

人們相信所有的恒星都可以是以描述太陽的方式形成，也就是說，由一大團非常巨大的氣體云和極小一部分的塵埃(小的固體粒子)由重力坍縮而成。大氣體云的直徑可能只有幾光年，質(zhì)量足以產(chǎn)生比太陽大得多的恒星。

?大星云一般傾向于產(chǎn)生幾顆恒星，而不僅僅是一顆。雙星在銀河系中非常常見；例如，天狼星、阿爾戈爾、卡佩拉、半人馬座阿爾法星和卡斯特星都是雙星，圍繞一個共同的質(zhì)量中心運行。

我們還發(fā)現(xiàn)了許多相當(dāng)大的恒星群，它們年齡相仿，可能同時由相同的非常大的氣體云形成。一個典型的例子是小星座昴宿星里面有六顆非常明亮的年輕恒星，可以用肉眼看到。

望遠鏡顯示昴宿星大約有一百顆恒星。這種團體被稱為開放集群有些離地球足夠近，可以通過好一點的雙筒望遠鏡看到這個壯觀的景象。其實像我們太陽系這樣的單星星系也可以算個例。（不會真和我們的后羿有關(guān)系吧，開個玩笑）

數(shù)字化天空測量中昴宿星的彩色合成圖像

恒星的壽命和什么有關(guān)？

• 到達主序列

一顆新誕生的熱原恒星從引力坍縮中獲得能量。當(dāng)核聚變開始時，它與主序的結(jié)合位置取決于它的亮度和溫度——它現(xiàn)在是一顆零年齡的主序恒星。主序星上的恒星已經(jīng)在它們的能量產(chǎn)生率和能量發(fā)射率之間達到了穩(wěn)定的平衡，并且不再在重力作用下坍縮。但是一顆恒星保持穩(wěn)定并保持在主序列上需要多長時間呢?

• 質(zhì)光關(guān)系

與太陽相比，像天狼星這樣明亮的a型恒星的質(zhì)量是太陽的兩倍，所以作為能量來源的氫也是太陽的兩倍。但是天狼星的預(yù)期壽命比太陽短，因為它的輻射速度是太陽的兩倍多。這是因為能量產(chǎn)生速率的增加意味著表面溫度更高——記住，輻射速率依賴于溫度(斯蒂芬-玻爾茲曼定律)：

1. 一般來說，對于主序上的恒星，光度L與質(zhì)量的三次方近似成正比：L ∝ M3
2. 大致來說，一顆恒星的壽命t與它的質(zhì)量平方成反比：t ∝ 1/M2

因此，質(zhì)量是太陽兩倍的恒星應(yīng)該有四分之一的壽命。最巨大的恒星可能有50個太陽質(zhì)量，預(yù)期壽命只有太陽的1/2500。另一方面，一顆太陽質(zhì)量為0.1的恒星的壽命將是太陽質(zhì)量的100倍。

在赫茨普朗-羅素圖上，具有不同初始質(zhì)量的恒星的演化軌跡。

赫茲普朗-羅素圖上不同初始質(zhì)量恒星的演化軌跡。軌道從恒星演化到主序列后開始，到聚變停止時停止(對于大質(zhì)量恒星),到紅巨星分支結(jié)束時停止(對于小恒星而言)

因此，銀河系中古老的、小的、暗的恒星比大的、熱的、亮的恒星要多，就不足為奇了。

一顆太陽大小的小恒星的死亡

當(dāng)主序恒星最終耗盡其主要核燃料氫時，接下來會發(fā)生什么取決于核心的壓力和溫度。這又取決于恒星的質(zhì)量。首先讓我們考慮一顆太陽大小的恒星的命運。然后我們考慮越來越多非常巨大的恒星。

氫聚變首先在中心核心停止，然后開始冷卻。但是核心周圍是一個富含氫的球形外殼，在那里仍然會發(fā)生核聚變。隨著內(nèi)核冷卻，其壓力降低，重力贏得了讓一切坍縮的漫長戰(zhàn)斗。熱氫聚變殼層向內(nèi)下降，并隨著重力勢能的損失而進一步升溫。

赫茨普朗-拉塞爾示意圖。

• 一個紅巨星的誕生

隨著坍縮殼內(nèi)的核聚變速度加快，釋放出更強的輻射，因此恒星的下一層實際上變得更熱。這是對流區(qū)，它會隨著溫度的升高而膨脹。事實上，它膨脹得如此之大以至于它的外表面，溫度降低形成一顆大光球，在這一點上，像太陽這樣的恒星會膨脹到最遠到達地球的軌道。

現(xiàn)在光球的溫度是3000度而不是主要的氫燃燒時期的6000度。但是表面積的增加意味著更多的能量被釋放出來，恒星變得更加明亮——它的亮度增加了一千倍。這顆恒星現(xiàn)在是一顆紅巨星。

• 即使是紅色巨人也不會永遠存在

故事不止于此。地核仍在引力作用下坍塌，溫度仍在上升。它的密度也很大，所有的粒子都非常接近。大部分氫都用完了，現(xiàn)在剩下氦和電子。

當(dāng)核心足夠熱時，另一個核聚變過程就開始了:氦通過三重阿爾法過程轉(zhuǎn)化為碳。兩個氦-4核首先結(jié)合形成鈹-8;然后它和另一個氦-4原子核結(jié)合形成碳-12。

像NGC 288這樣的球狀星團中最亮的恒星是紅巨星。

超致密核心中的這一新的能量產(chǎn)生過程開始得非?？?，只需幾分鐘，并且可能產(chǎn)生足夠的能量來加熱現(xiàn)在也富含氦的鄰近層。這可能會引發(fā)爆炸反應(yīng)，紅巨星下一層的物質(zhì)可能會被炸開——持續(xù)幾十年的“超級風(fēng)”。然后，當(dāng)它冷卻時，恒星再次穩(wěn)定下來。每隔幾千年，這種“氦閃”就會再次出現(xiàn)。像這樣的恒星看起來是脈動的，它的大小和亮度會隨著時間的推移而變化。

• 古老的紅巨星可能會變成行星狀星云

這個時間尺度太長，無法觀測到。這一理論被用來解釋我們所能看到的行星狀星云。它們被錯誤地稱為“行星”，因為早期用小型望遠鏡觀測的人認為它們是行星。當(dāng)紅巨星噴射出足夠多的物質(zhì)，使得熾熱的超密核心裸露在視野中時，行星狀星云就形成了。它照亮了環(huán)繞它的膨脹的氣體外殼。

M27行星狀星云

• 白矮星

致密的碳核不夠熱，無法進行更多的聚變反應(yīng)，現(xiàn)在它是一顆白矮星。隨著時間的推移，它冷卻下來，變成一顆看不見的黑矮星。

哈勃太空望遠鏡拍攝的小天狼星A和小天狼星B的圖像。小天狼星B是一個白矮星，在明亮得多的小天狼星A的左下角可以看到一個微弱的光點

比太陽質(zhì)量大的恒星的命運

在像太陽這樣的普通小恒星中，三α反應(yīng)將是故事的結(jié)尾。當(dāng)所有的氦都轉(zhuǎn)化為碳時，恒星的溫度太低，無法引發(fā)進一步的聚變反應(yīng)，也沒有足夠的重力勢能來通過進一步坍縮來升高溫度。

但是比太陽質(zhì)量更大的恒星可以繼續(xù)產(chǎn)生更重的原子核并獲得能量。例如，一個碳-12原子核可以與一個質(zhì)子結(jié)合，生成氮的同位素，開始一個序列，這個序列又經(jīng)過氧-15回到碳-12，然后是氦原子核。又有四個氫原子核參與其中，在氦-4中變成兩個中子和兩個質(zhì)子。比太陽熱的恒星的主要能量來源。隨著恒星年齡的增長，可能會發(fā)生進一步的產(chǎn)能反應(yīng)，導(dǎo)致像鐵一樣大的原子核的形成。使原子核比鐵重吸收能量;較重的原子核是在超新星爆炸中形成的。

支持這一切的理論得到了地球上實驗室實驗的支持，該理論相當(dāng)準確地預(yù)測了在恒星大氣中檢測到的元素的比例。

一顆五倍太陽質(zhì)量的恒星的命運

一顆由五個太陽質(zhì)量組成的主序恒星是一顆明亮的恒星，不僅比太陽大，而且表面溫度超過20 000千。它通過將氫轉(zhuǎn)化為氦來獲得能量，但其過程比簡單的質(zhì)子-質(zhì)子鏈要快。它核心的溫度是太陽的兩倍多——大約3.4 × 10?K.這樣一顆恒星每秒發(fā)射的能量是太陽的500倍，如上所述，它在主序上的時間會更短。在這個階段，它的壽命只有4億年，相比之下，太陽的壽命有100億年。

一旦核心被轉(zhuǎn)化成氦，在重力作用下它就會收縮，氫就會向內(nèi)沉降，在靜止的核周圍形成一個燃燒氫的外殼。這會產(chǎn)生了大量的能量，但是恒星的外殼會膨脹，所以發(fā)出的能量會擴散到更大的區(qū)域。因此，表面溫度實際上降低了，恒星沒有變得比以前更亮，而是變得更暗，即將成為一顆紅巨星。

五個太陽質(zhì)量恒星從主序列到后AGB的演化軌跡。

核心在重力作用下繼續(xù)收縮，因此變得更熱，氦通過三α過程轉(zhuǎn)化為碳:?He +?He +?He→1?C

這種額外的能量阻止了這顆恒星成為紅巨星，它的表面溫度也隨之升高。然后這個過程提供了大約持續(xù)1000萬年的能量。

當(dāng)核心中的氦全部轉(zhuǎn)化為碳時，它就停止產(chǎn)生能量。但在地核周圍的外殼中，燃燒可能會繼續(xù)，它會再次變成一顆紅巨星。燃燒的外殼可能提供足夠的能量來吹走較冷的外殼，恒星就會變得更亮。接下來發(fā)生的事情有兩種可能性：

Q1、要么是退化的黑矮星......

這顆恒星在恒星風(fēng)的作用下繼續(xù)失去質(zhì)量，靜靜地變成了一顆白矮星，完全由碳構(gòu)成，大約是恒星質(zhì)量的1.3到1.5倍太陽的質(zhì)量。有了這個質(zhì)量，核心中的粒子就會變得如此緊密，以至于引力無法使恒星變得更小。在這種狀態(tài)下，電子簡并壓發(fā)揮作用（粒子具有排他性）。引力收縮沒有能量。地核逐漸冷卻，最終形成一顆黑色的矮星。

Q2、....…或者超新星？

或者，恒星可能仍然足夠大，其外層不會退化。恒星仍然可以從重力收縮中獲得能量，因此碳核可以變得足夠熱，以使碳燃燒發(fā)生。核心實際上是固體碳，原子核和電子非常接近。

在大約1.4個太陽質(zhì)量的整個核心上，碳核幾乎瞬間轉(zhuǎn)化為更大的核。幾毫秒內(nèi)釋放的能量是巨大的:能量發(fā)射的速度相當(dāng)于一個由一百億顆恒星組成的星系發(fā)射的能量。我們觀察到天空中出現(xiàn)了一顆非常明亮的新星超新星。這是一個ⅠA型超新星。這種情況只有在質(zhì)量相當(dāng)?shù)偷暮阈翘幱陔p星系統(tǒng)中時才有可能發(fā)生，在雙星系統(tǒng)中，恒星可以通過吸積獲得額外的可爆炸質(zhì)量。

恒星的所有外層都以非常高的速度噴出——最高10?毫秒。超新星在大約40天后達到可見性的頂峰，此時熱物質(zhì)已經(jīng)膨脹到太陽系的大小。

在典型的星系中，超新星大約每50年出現(xiàn)一次。這種情況最近還沒有發(fā)生在附近，所以我們還不能用現(xiàn)代技術(shù)近距離研究這一壯觀的天文景象。最著名的超新星遺跡是蟹狀星云。

蟹狀星云是一個與1054超新星相關(guān)的脈沖星風(fēng)星云

歷史上對超新星的記載發(fā)生在1054年，我國天文學(xué)家觀察到了它，禮貌地稱之為《客串明星》