关于科学知识的文章

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恒星的"生"与"死"



中国科学院上海天文台 林清
举目望天,点点繁星引人遐思,至为深刻的莫过于宇宙的深远无尽和永恒不灭,然而那一颗颗闪烁的星星,果真永恒不灭吗?科学的答案是否定的,宇宙中形形色色的各种天体,包括和太阳一样发光发热的恒星,也是有它自己的"生命"历程的.
图1 M100 图2 猎户座繁星
（一） 恒星的诞生地
图1是银河系之外一个遥远而美丽的星系,代号M100,我们的银河系与此十分相似,都是由千亿颗恒星组成的庞大天体集团.图中可以清楚地看到整个星系象一个扁平的盘子－星系盘,盘中缠绕着几条光亮的"臂",称为旋臂.
在旋臂和旋臂之间,是一些暗弱的区域,科学分析表明,这里大多是炽热而高度电离的气体,其中气体压力很大,可以抵制气体在引力作用下的收缩倾向,所以这些区域不易形成恒星.而在旋臂中,气体的密度较大,离子、原子和尘埃颗粒之间的碰撞相当频繁,能有效地使气体"冷却",并产生氢分子构成的气体云团―分子云.分子云的温度较低,通常仅为绝对温度10度左右,每一个云的质量大约相当于太阳的1000到10000倍.正是这些分子云的进一步碎裂和坍缩导致一群一群原始恒星的诞生.
图3 猎户座大星云 图4 鹰状星云
作为原始恒星诞生地的星际云团,最有名的当属猎户星座（图2）中间"三星"下方称为"宝剑"处的一团云雾,这便是著名的"猎户大星云"（图3）,这其中有许多刚刚诞生不久的恒星和仍处于襁褓中的原恒星.图4所示的"鹰状星云"M16则是另一个著名的恒星诞生地.
（二） 恒星的诞生－星卵
作为恒星诞生地的星际气体云团十分稀薄而且温度极低,云团中与引力相抗衡的气体压力很弱,引力的作用使得云团缓慢地收缩.
超新星爆炸产生的冲击波或云团周围一些亮星向外喷射的高热气流（称为"星风"）都会使云团中出现不均匀的密度分布,造成云团中出现多个密度中心,这些密度中心周围的气体分别向这些中心收缩,形成一个个小云团.收缩过程中,小云团中心温度升高,旋转加快,密度越来越大,演变成中心有核,周围由盘状物质包围的形状,云团的表面温度一般为绝对温度2000－3000度,质量与太阳相仿,只发出红外辐射,不发射可见光,所以还只是恒星的胚胎,或形象地称之为"星卵".
不同大小的云团演化快慢大不一样,象太阳这样典型大小的恒星,其处于星卵的状态的大约要维持100万年,在此期间云团继续复杂的收缩过程,中心温度则持续升高,一直到超过100万度,在这种极高的温度下将出现由氢原子核变成氦原子核的"核聚变"反应,这是恒星的根本特征,星球只有到了能由核聚变反应而释放能量,才算是真正进入了"成年恒星"的阶段,也只有此时才真正变得灿烂夺目.此时的恒星中心密度和温度都很高,巨大的气体压力足以抵抗引力收缩,所以恒星也不再继续收缩了,恒星的性质变得十分稳定,就象我们的太阳一样,恒星一生中90％以上的时间都处于这一阶段.
（三） 恒星的壮年－从主序星到红巨星
恒星发光发热的源泉是由氢原子核转变为氦原子核的核聚变反应,维持核反应的阶段就是恒星的壮年期,天文学上称为"主序星"阶段.质量不同的恒星维持核反应的时间大不一样,大质量恒星的核心温度更高,核反应消耗氢的速度比小质量恒星快得多,因此其生命历程相对来说要短得多,比如象10个太阳质量那样大的恒星只能维持一千万年左右的生命,而太阳却能维持100亿年.
太阳这样大小的恒星是宇宙中最为典型的,它们生命中80％－90％的时间都处在稳定的主序阶段,当中心的氢逐渐燃烧完后,一颗恒星的生命就接近尾声了.此时星体核心会迅速收缩,相反地,外层的氢却开始燃烧并迅速膨胀,这是恒星生命中一个十分有趣的阶段,星体的体积大大增加,比如太阳这样的恒星会膨胀数百倍,膨胀的结果导致恒星表面温度下降,颜色变红,同时其表面亮度却会大大增强,天文学上习惯于将光度（即恒星的本质亮度）大的天体称为"巨星",因此这一阶段的恒星的典型特征就是"红巨星"
相对而言,"红巨星"阶段是很短暂的,此后由于核心的收缩导致温度进一步升高而引发氦原子核聚变为碳原子核的反应以及此后一系列更为复杂的核聚变反应,恒星快速地走向死亡.
四） 恒星走向死亡
恒星走向死亡的途径因其质量的不同而有很大的不同,象太阳这种中等质量的星体其死亡是比较"温和"的,在红巨星阶段之后,恒星的外壳一直向外膨胀,核心则持续收缩,发出紫外光或X射线,高能射线激发外层气体发出荧光,形成美丽的行星状星云（图5）.外壳气体逐渐消散在星际空间,成为下一代恒星的原料,而中心部分在收缩到一定程度后,停止了一切核反应过程,变成一颗冷却了的、密度却极大的白矮星,其中1个方糖大小的物质,重量可与一辆卡车相当.
质量较大的恒星走向死亡的途径往往是十分壮烈的,通常质量大于太阳8倍以上的星球,不会平静地演化为白矮星,而是引发一场震天动地的大爆炸,星体的亮度突然增亮几十倍甚至几百倍,这就是所谓的超新星爆发,星体粉身碎骨,核心遗留下来两种特殊形态的天体－中子星或黑洞.中子星的质量和太阳差不多,但半径只有10公里左右,可见其密度更比白矮星高得多了.超新星爆炸后,如果残留的核心质量仍较大,则会形成密度更为惊人的黑洞,任何物质甚至连光线都无法逃脱它强大的引力场,我们无法直接看到它,这也正是其名为"黑"的由来.
图5 美丽的行星状星云
（五） 恒星的"生死循环"
正如动、植物的死亡将成为下一代生命的原料一样,恒星的死亡也都有一个共同的特征,即将其本体中的大量物质抛射到星际空间中,这些物质逐渐弥漫在宇宙空间中,以气体或尘埃的形式成为新一代恒星的原材料.同时正是在恒星的演化过程中通过核聚变形成了许多构成生命所必需的重元素,这些重元素在恒星死亡后弥散在宇宙空间中,才有可能导致象人这种生命的诞生.
恒星演化示意图