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(yáng)、月亮和少數(shù)行星之外最引人注目的天體.早在上古時(shí)代,人們就對(duì)恒星充滿(mǎn)了好奇與幻想,中外都流行著非常動(dòng)人的神話(huà)傳說(shuō).然而,直到望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)后,人們才對(duì)恒星有了最基本的認(rèn)識(shí),了解到恒星在天空中并不是恒定不變的.到了 2 0世紀(jì)初,愛(ài)因斯坦發(fā)表了著名的質(zhì)能關(guān)系,人們對(duì)原子核反應(yīng)所產(chǎn)生的巨大能量逐步認(rèn)識(shí),知道了恒星能量的來(lái)源,才漸漸認(rèn)識(shí)到恒星本身也有生命周期,它們像人一樣會(huì)出生、生長(zhǎng)、老去直至死亡.然而,恒星的出生在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里還是個(gè)謎,直到2 0世紀(jì)6 0年代,天文學(xué)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(duì)恒星的出生場(chǎng)所及過(guò)程有了最初步的了解.經(jīng)過(guò) 4 0年的研究,天文學(xué)家對(duì)恒星的出生過(guò)程有了相當(dāng)充分的理解,特別對(duì)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(kāi)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(guò)快速演化最終形成恒星.為了對(duì)恒星進(jìn)行分類(lèi),天文學(xué)家將小于太陽(yáng)質(zhì)量3倍的恒星稱(chēng)為小質(zhì)量星,3 8倍的稱(chēng)為中等質(zhì)量星,而大于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的則稱(chēng)為大質(zhì)量星.這一分類(lèi)并不僅僅是表象的不同,事實(shí)上它代表了不同類(lèi)型的恒星形成時(shí)不同的物理過(guò)程

3、.(一小質(zhì)量恒星形成的理論與觀(guān)測(cè)一般認(rèn)為,恒星是通過(guò)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(lèi)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(chēng)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(duì)較高的區(qū)域,被稱(chēng)為分子云核.隨著分子云核的進(jìn)一步演化,其內(nèi)部的熱運(yùn)動(dòng)壓力不能再抵御自身的引力,便開(kāi)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(guò)了以下4個(gè)階段: ( 1 云核階段:分

4、子云核內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)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(kāi)始緩慢上升,形成熱分子云核;( 2 主塌縮階段:當(dāng)分子云核的內(nèi)部壓力不能抵抗自身引力時(shí),就開(kāi)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(dāng)?shù)芈曀傧蛲鈹U(kuò)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(gè)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(huì)直接落到核心,而是在核心周?chē)纬梢粋€(gè)致密的盤(pán)狀結(jié)構(gòu),稱(chēng)為吸積盤(pán)( a c c r e t i o n d i s k ;( 3 主吸積階段:由于角動(dòng)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(pán)上,吸積盤(pán)通過(guò)一系列復(fù)雜的過(guò)程,將多余的角動(dòng)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(pán)在恒星形成活動(dòng)中起了至關(guān)重要的作用.在此期間,為了釋放角動(dòng)量,系統(tǒng)還通過(guò)目前尚不可知的機(jī)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(guò)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(diǎn)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(fēng)的作用使恒星形成的殘余物質(zhì)遠(yuǎn)離中心星,星周物質(zhì)以及盤(pán)物質(zhì)變得稀薄,外流的開(kāi)口張角漸漸變大.中心星仍然從盤(pán)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(huì)再有實(shí)質(zhì)性的增長(zhǎng),更多的是準(zhǔn)靜態(tài)收縮.中心星的核心部分這時(shí)可能已經(jīng)開(kāi)始了氫燃燒,外部出現(xiàn)了對(duì)流層.當(dāng)這一階段結(jié)束時(shí),我們就可以在宇宙空間看見(jiàn)一顆性質(zhì)不同的恒星,被稱(chēng)為主序星.以上4個(gè)階段為小質(zhì)量恒星形成理論所預(yù)言而在觀(guān)測(cè)上都得到了證實(shí).在觀(guān)測(cè)上,天文學(xué)家利用不同波段的觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了4類(lèi)年輕星天體,其能譜特征基本符合上述4個(gè)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(pán),以及伴隨恒星形成活動(dòng)的質(zhì)量外流.質(zhì)量外流在電磁波的各個(gè)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(xué)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(xué)和紅外光譜觀(guān)

7、測(cè)還發(fā)現(xiàn)了年輕星天體的質(zhì)量吸積特征,有幾項(xiàng)射電波段的觀(guān)測(cè)聲稱(chēng)找到了分子云核的塌縮特征,雖然這些觀(guān)測(cè)還需要進(jìn)一步的證實(shí).總之,雖然在一些細(xì)節(jié)上還有待證實(shí),小質(zhì)量星的形成之迷已經(jīng)為天文學(xué)家所揭示,由此發(fā)展的小質(zhì)量星形成理論被認(rèn)為是正確的.(二大質(zhì)量星形成理論與觀(guān)測(cè)大質(zhì)量星能否像小質(zhì)量星那樣,通過(guò)塌縮和吸積而成?這是一個(gè)很自然的想法.但在經(jīng)典的理論模型計(jì)算中,如果使用與小質(zhì)量星相同的模型參數(shù)則當(dāng)年輕星的質(zhì)量大于太陽(yáng)的10倍時(shí),它所釋放的光子光壓足以抵御自身的引力,使得吸積盤(pán)中的物質(zhì)所受的凈力方向向外,從而停止吸積過(guò)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(yáng)質(zhì)量,但這與實(shí)際情

8、形是明顯不符的,因?yàn)橐呀?jīng)觀(guān)測(cè)到100倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星.當(dāng)然,在不改變基本假設(shè)的情況下也有解決這一困難的方法.例如,理論天體物理學(xué)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(shè)可以使恒星的最大質(zhì)量達(dá)到太陽(yáng)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?yàn)閮蓸O的物質(zhì)相對(duì)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(dá)到60倍太陽(yáng)質(zhì)量,甚至更大.至此,理論天體物理學(xué)家提供了兩種不同的大質(zhì)量星形成的模式,即吸積說(shuō)(像小質(zhì)量星形成一樣與并合說(shuō).解決爭(zhēng)論的唯一途徑是通過(guò)觀(guān)測(cè),但由于目前的觀(guān)測(cè)條件所限,我

9、們不能直接看見(jiàn)發(fā)生在大質(zhì)量星附近的事件,只能通過(guò)觀(guān)測(cè)大質(zhì)量周?chē)默F(xiàn)象推測(cè)理論的正確性.回憶小質(zhì)量星形成的理論,可知吸積學(xué)說(shuō)預(yù)言恒星形成時(shí)存在雙極質(zhì)量外流以及吸積盤(pán).另一方面,并合說(shuō)指出,由于年輕星碰撞合并等劇烈的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,星周盤(pán)將在這一過(guò)程中被瓦解;并合時(shí)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(huì)出現(xiàn)高準(zhǔn)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(xué)家形象地稱(chēng)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(dāng)溫度達(dá)到1000萬(wàn)度時(shí)其內(nèi)部發(fā)生熱核聚變反應(yīng),核聚變的結(jié)果是

10、把四個(gè)氫原子核結(jié)合成一個(gè)氦原子核,并釋放出大量的原子能,形成輻射壓,當(dāng)壓力增高到足以和自身收縮的引力抗衡時(shí),一顆恒星誕生了。2.主序星階段恒星以?xún)?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(shí)代”,是恒星一生中最長(zhǎng)的黃金階段占據(jù)了它整個(gè)壽命的90%。這段時(shí)間,恒星相對(duì)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?chē)挠钪婵臻g。不同的恒星停留在主序階段的時(shí)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(shí)間就越短如質(zhì)量等于太陽(yáng)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(shí)間分別為一千萬(wàn)年、七千萬(wàn)年、一百億年和一萬(wàn)億年。3.紅巨星階段當(dāng)一顆恒星度過(guò)它漫長(zhǎng)的青壯年期(主序星階段,步入“老年期”時(shí),它將首先變?yōu)橐活w紅巨星。由于熱核反應(yīng)中氫的燃燒消耗極快,中心形成氦核并且不斷增大。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),氦核周?chē)臍湓絹?lái)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(fēng)。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?chē)囊粋€(gè)殼層里推進(jìn)。這以后恒星演化的過(guò)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(gè)過(guò)程僅僅持續(xù)數(shù)十萬(wàn)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(chēng)它為“巨星”;在恒星迅速膨脹的同時(shí),它的外表面離中心越來(lái)越遠(yuǎn),質(zhì)量易于拋失,溫度越來(lái)越低,發(fā)出的光也就越來(lái)越偏紅,所以稱(chēng)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(jìn)入“晚年”。此時(shí)的恒星是很不穩(wěn)定的總有一天它會(huì)猛烈地爆發(fā)。到那時(shí),整個(gè)恒星將以一次極為壯觀(guān)的爆炸來(lái)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(shí)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(wàn)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(guò)10 0 0萬(wàn)倍以至萬(wàn)萬(wàn)倍,這樣的恒星叫做“超新星”。這就是天文學(xué)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(gè)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(shí)又是新生恒星誕生的推動(dòng)者。超新星的爆發(fā)可能會(huì)引發(fā)附近星云中無(wú)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(lái)自那些早已消失的恒星。5.高密度階段經(jīng)過(guò)爆發(fā)后,超新星只留下一個(gè)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(yáng)質(zhì)量以下的恒星,在離開(kāi)主星序帶后便無(wú)劇烈變動(dòng)地失去足夠的質(zhì)量,相對(duì)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(yáng)質(zhì)量 的恒星將會(huì)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(kāi)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jìng)為一億噸之巨! 半徑十千米的中子星的質(zhì)量就與太陽(yáng)的質(zhì)量相當(dāng)了.中子星還有極強(qiáng)的磁場(chǎng),并且不向宇宙空間發(fā)出電磁脈沖信號(hào)?？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(chēng)為20世紀(jì)60年代的四大天文學(xué)重要發(fā)現(xiàn)之一。中子