恒星的演化----张宇宁.docVIP

恒星的演化 恒星的演化 恒星的大小各不相同，小型恒星质量只是太阳的十分之一，大型恒星则超过太阳质量的一百倍。质量为太阳百倍以上的恒星是不稳定的，它们将很快用完它们的核燃料；而如果恒星的质量小于太阳十分之一，那么它们注定是“不够格”的——它们的温度还没有上升至足以引发核聚变。我们称它们为“棕矮星”。棕矮星只能靠引力收缩来产生热量，所以将慢慢冷却并走向死亡。 大部分开始燃烧的恒星都由中心的氢聚变成氦的热核反应来提供能量，它们将平静地度过一生中的大部分时间。它们寿命的长短取决于其自身的质量。虽然质量大的恒星内部有更多的燃料，但是它内部的温度和压力也相应更高，这使核聚变反应的强度也成倍增大。这导致质量大的恒星寿命反而要短于质量小的恒星。我们五十亿岁的太阳刚好度过了一生中一半的岁月，它的核燃料还够它维持剩下五十亿年的平静日子。 燃料终归是有限的，恒星中心的氢终将被消耗殆尽。氢快用完时，恒星的中心将并形成一个氦核。此时恒星的辐射压将抵挡不了它本身的引力，外层的物质开始向中心聚集，而收缩时产生的热又使氦核外尚未燃烧的氢达到核反应所需的温度。于是恒星在其氦核的周围形成了一个氢燃烧的“壳”，它推动着外层急剧膨胀，将恒星变成一颗“红巨星”。红巨星的体积比原来要大一百多倍。体积的膨胀导致恒星表面温度下降，但由于发光表面积同时剧增，其总能量输出和光亮度仍大幅增加。当我们的太阳处在这一阶段时，它的能量输出将增强一千倍，而它膨胀的外壳将越过水星轨道，将水星汽化。 恒星的诞生 　　恒星的演化开始于巨分子云。一个星系中大多数虚空的密度是每立方厘米大约0.1到1个原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米数百万个原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量，直径为50到300光年。 恒星演化 在巨分子云环绕星系旋转时，一些事件可能造成它的引力坍缩。 巨分子云可能互相冲撞，或者穿越旋臂的稠密部分。邻近的超新星爆发抛出的高速物质也可能是触发因素之一。最后，星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。 　　坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原始星。 　　恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常，正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到，这被称为博克球状体。 　　质量非常小（小于一个太阳质量）的原始星的温度不会到达足够开始核聚变的程度,它们会成为棕矮星，在数亿年的时光中慢慢变凉。大部分的质量更高的原始星的中心温度会达到一千万开氏度，这时氢会开始聚变成氦，恒星开始自行发光。核心的核聚变会产生足够的能量停止引力坍缩，达到一个静态平衡。恒星从此进入一个相对稳定的阶段。如果恒星附近仍有残留巨分子云碎片，那么这些碎片可能会在一个更小的尺度上继续坍缩，成为行星、小行星和彗星等行星际天体。如果巨分子云碎片形成的恒星足够接近，那么可能形成双星和多星系统。 中年 　　恒星有不同的颜色和大小。从高热的蓝色到冷却的红色，从0.5到20个太阳质量。 恒星演化 恒星的亮度和颜色依赖于其表面温度，而表面温度则依赖于恒星的质量。大质量的恒星需要比较多的能量来抵抗对外壳的引力，燃烧氢的速度也快得多。 恒星形成之后会落在赫罗图的主星序的特定点上。小而冷的红矮星会缓慢地燃烧氢，可能在此序列上停留数千亿年，而大而热的超巨星会在仅仅几百万年之后就离开主星序。像太阳这样的中等恒星会在此序列上停留一百亿年。太阳也位于主星序上，被认为是处于中年期。在恒星燃烧完核心中的氢之后，就会离开主星序。成熟 　　在形成几百万到几千亿年之后，恒星会消耗完核心中的氢。大质量的恒星会比小质量的恒星更快消耗完核心的氢。在消耗完核心中的氢之后，核心部分的核反应会停止，而留下一个氦核。  恒星演化 失去了抵抗重力的核反应能量之后，恒星的外壳开始引力坍缩。核心的温度和压力像恒星形成过程中一样升高，但是是在一个更高的层次上。一旦核心的温度达到了1亿开氏度，核心就开始进行氦聚变，重新通过核聚变产生能量来抵抗引力。恒星质量不足以产生氦聚变的会释放热能，逐渐冷却，成为红矮星。 　　积热的核心会造成恒星大幅膨胀，达到在其主星序阶段的数百倍大小，成为红巨星。红巨星阶段会持续数百万年，但是大部分红巨星都是变星，不如主序星稳定。 　　恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。 晚年和死亡 低质量恒星 　　低质量恒星的演化终点没有直接观察到。宇宙的年龄被认为是一百多亿年，不足以使得这些恒星耗尽核心的氢。当前的理论都是基于计算机模型。 一些恒星会在核心进行氦聚变，产生一个不稳定和不平衡的反应，以及强烈的太阳风。在这种情况下，恒星不会爆发产