舉目望天,點(diǎn)點(diǎn)繁星 引人遐思,至為深刻的 莫過(guò)于宇宙的 深遠(yuǎn)無(wú)盡和永恒不滅,然而那一顆顆閃爍的 星 星 ,果真永恒不滅嗎?科學(xué)的 答案是否定的 ,宇宙中形形色色的 各種天體,包括和太陽(yáng)一樣發(fā)光發(fā)熱的 恒星 ,也是有它自己的 "生命"歷程的 。
圖1 M100 圖2 獵戶(hù)座繁星
(一) 恒星 的 誕生地
圖1是銀河系 之外一個(gè)遙遠(yuǎn)而美麗的 星 系 ,代號(hào)M100,我們的 銀河系 與此十分相似,都是由千億顆恒星 組成的 龐大天體集團(tuán)。圖中可以清楚地看到整個(gè)星 系 象一個(gè)扁平的 盤(pán)子-星 系 盤(pán),盤(pán)中纏繞著幾條光亮的 "臂",稱(chēng)為旋臂。
在旋臂和旋臂之間,是一些暗弱的 區(qū)域,科學(xué)分析表明,這里大多是熾熱而高度電離的 氣體,其中氣體壓力很大,可以抵制氣體在引力作用下的 收縮傾向,所以這些區(qū)域不易形成恒星 。而在旋臂中,氣體的 密度較大,離子、原子和塵埃顆粒之間的 碰撞相當(dāng)頻繁,能有效地使氣體"冷卻",并產(chǎn)生氫分子構(gòu)成的 氣體云團(tuán)―分子云。分子云的 溫度較低,通常僅為絕對(duì)溫度10度左右,每一個(gè)云的 質(zhì)量大約相當(dāng)于太陽(yáng)的 1000到10000倍。正是這些分子云的 進(jìn)一步碎裂和坍縮導(dǎo)致一群一群原始恒星 的 誕生。
圖3 獵戶(hù)座大星 云 圖4 鷹狀星 云
作為原始恒星 誕生地的 星 際云團(tuán),最有名的 當(dāng)屬獵戶(hù)星 座(圖2)中間"三星 "下方稱(chēng)為"寶劍"處的 一團(tuán)云霧,這便是著名的 "獵戶(hù)大星 云"(圖3),這其中有許多剛剛誕生不久的 恒星 和仍處于襁褓中的 原恒星 。圖4所示的 "鷹狀星 云"M16則是另一個(gè)著名的 恒星 誕生地。
(二) 恒星 的 誕生-星 卵
作為恒星 誕生地的 星 際氣體云團(tuán)十分稀薄而且溫度極低,云團(tuán)中與引力相抗衡的 氣體壓力很弱,引力的 作用使得云團(tuán)緩慢地收縮。
超新星 爆炸產(chǎn)生的 沖擊波或云團(tuán)周?chē)恍┝列?向外噴射的 高熱氣流(稱(chēng)為"星 風(fēng)")都會(huì)使云團(tuán)中出現(xiàn)不均勻的 密度分布,造成云團(tuán)中出現(xiàn)多個(gè)密度中心,這些密度中心周?chē)?氣體分別向這些中心收縮,形成一個(gè)個(gè)小云團(tuán)。收縮過(guò)程中,小云團(tuán)中心溫度升高,旋轉(zhuǎn)加快,密度越來(lái)越大,演變成中心有核,周?chē)杀P(pán)狀物質(zhì)包圍的 形狀,云團(tuán)的 表面溫度一般為絕對(duì)溫度2000-3000度,質(zhì)量與太陽(yáng)相仿,只發(fā)出紅外輻射,不發(fā)射可見(jiàn)光,所以還只是恒星 的 胚胎,或形象地稱(chēng)之為"星 卵"。
不同大小的 云團(tuán)演化快慢大不一樣,象太陽(yáng)這樣典型大小的 恒星 ,其處于星 卵的 狀態(tài)的 大約要維持100萬(wàn)年,在此期間云團(tuán)繼續(xù)復(fù)雜的 收縮過(guò)程,中心溫度則持續(xù)升高,一直到超過(guò)100萬(wàn)度,在這種極高的 溫度下將出現(xiàn)由氫原子核變成氦原子核的 "核聚變"反應(yīng),這是恒星 的 根本特征,星 球只有到了能由核聚變反應(yīng)而釋放能量,才算是真正進(jìn)入了"成年恒星 "的 階段,也只有此時(shí)才真正變得燦爛奪目。此時(shí)的 恒星 中心密度和溫度都很高,巨大的 氣體壓力足以抵抗引力收縮,所以恒星 也不再繼續(xù)收縮了,恒星 的 性質(zhì)變得十分穩(wěn)定,就象我們的 太陽(yáng)一樣,恒星 一生中90%以上的 時(shí)間都處于這一階段。
(三) 恒星 的 壯年-從主序星 到紅巨星
恒星 發(fā)光發(fā)熱的 源泉是由氫原子核轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぴ雍说?核聚變反應(yīng),維持核反應(yīng)的 階段就是恒星 的 壯年期,天文學(xué)上稱(chēng)為"主序星 "階段。質(zhì)量不同的 恒星 維持核反應(yīng)的 時(shí)間大不一樣,大質(zhì)量恒星 的 核心溫度更高,核反應(yīng)消耗氫的 速度比小質(zhì)量恒星 快得多,因此其生命歷程相對(duì)來(lái)說(shuō)要短得多,比如象10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量那樣大的 恒星 只能維持一千萬(wàn)年左右的 生命,而太陽(yáng)卻能維持100億年。
太陽(yáng)這樣大小的 恒星 是宇宙中最為典型的 ,它們生命中80%-90%的 時(shí)間都處在穩(wěn)定的 主序階段,當(dāng)中心的 氫逐漸燃燒完后,一顆恒星 的 生命就接近尾聲了。此時(shí)星 體核心會(huì)迅速收縮,相反地,外層的 氫卻開(kāi)始燃燒并迅速膨脹,這是恒星 生命中一個(gè)十分有趣的 階段,星 體的 體積大大增加,比如太陽(yáng)這樣的 恒星 會(huì)膨脹數(shù)百倍,膨脹的 結(jié)果導(dǎo)致恒星 表面溫度下降,顏色變紅,同時(shí)其表面亮度卻會(huì)大大增強(qiáng),天文學(xué)上習(xí)慣于將光度(即恒星 的 本質(zhì)亮度)大的 天體稱(chēng)為"巨星 ",因此這一階段的 恒星 的 典型特征就是"紅巨星 "
相對(duì)而言,"紅巨星 "階段是很短暫的 ,此后由于核心的 收縮導(dǎo)致溫度進(jìn)一步升高而引發(fā)氦原子核聚變?yōu)樘荚雍说?反應(yīng)以及此后一系 列更為復(fù)雜的 核聚變反應(yīng),恒星 快速地走向死亡。
(四) 恒星 走向死亡
恒星 走向死亡的 途徑因其質(zhì)量的 不同而有很大的 不同,象太陽(yáng)這種中等質(zhì)量的 星 體其死亡是比較"溫和"的 ,在紅巨星 階段之后,恒星 的 外殼一直向外膨脹,核心則持續(xù)收縮,發(fā)出紫外光或X射線(xiàn),高能射線(xiàn)激發(fā)外層氣體發(fā)出熒光,形成美麗的 行星 狀星 云(圖5)。外殼氣體逐漸消散在星 際空間,成為下一代恒星 的 原料,而中心部分在收縮到一定程度后,停止了一切核反應(yīng)過(guò)程,變成一顆冷卻了的 、密度卻極大的 白矮星 ,其中1個(gè)方糖大小的 物質(zhì),重量可與一輛卡車(chē)相當(dāng)。
質(zhì)量較大的 恒星 走向死亡的 途徑往往是十分壯烈的 ,通常質(zhì)量大于太陽(yáng)8倍以上的 星 球,不會(huì)平靜地演化為白矮星 ,而是引發(fā)一場(chǎng)震天動(dòng)地的 大爆炸,星 體的 亮度突然增亮幾十倍甚至幾百倍,這就是所謂的 超新星 爆發(fā),星 體粉身碎骨,核心遺留下來(lái)兩種特殊形態(tài)的 天體-中子星 或黑洞。中子星 的 質(zhì)量和太陽(yáng)差不多,但半徑只有10公里左右,可見(jiàn)其密度更比白矮星 高得多了。超新星 爆炸后,如果殘留的 核心質(zhì)量仍較大,則會(huì)形成密度更為驚人的 黑洞,任何物質(zhì)甚至連光線(xiàn)都無(wú)法逃脫它強(qiáng)大的 引力場(chǎng),我們無(wú)法直接看到它,這也正是其名為"黑"的 由來(lái)。
圖5 美麗的 行星 狀星 云
(五) 恒星 的 "生死循環(huán)"
正如動(dòng)、植物的 死亡將成為下一代生命的 原料一樣,恒星 的 死亡也都有一個(gè)共同的 特征,即將其本體中的 大量物質(zhì)拋射到星 際空間中,這些物質(zhì)逐漸彌漫在宇宙空間中,以氣體或塵埃的 形式成為新一代恒星 的 原材料。同時(shí)正是在恒星 的 演化過(guò)程中通過(guò)核聚變形成了許多構(gòu)成生命所必需的 重元素,這些重元素在恒星 死亡后彌散在宇宙空間中,才有可能導(dǎo)致象人這種生命的 誕生。
恒星 演化示意圖
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