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探秘:恒星的前世今生



太阳作为一颗恒星成为了整个太阳系的中心,以巨大的引力牵引着太阳系中的各大天体。自人类有记录以来,任地球沧海桑田的变化,太阳那耀眼的光芒也从未改变过。然而事实并不是这样的,恒星和人一样会经历生老病死。

诞生期:

恒星的演化开始于巨分子云。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。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。星系碰撞造成的星云压缩和扰动也可能形成大量恒星。此时的恒星还只是一个巨型的“小baby”。


巨分子云

其中质量小于0.08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,它们会成为褐矮星。


褐矮星

但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(开氏温度等于摄氏温度加273),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。此时的恒星已经初具模样。


成年期:

成年期时的恒星成为主序星。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。小而冷的褐矮星则会缓慢地燃烧氢。

青壮年时期的恒星

中年期:

中年期时形成红巨星,超巨星。

在形成几百万到几千亿年之后,恒星会消耗完核心中的氢。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。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。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。

恒星的下一步演化再一次由恒星的质量决定。

红巨星

衰退期:

晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结:白矮星、中子星、黑洞。

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。但是小于0.5倍太阳质量的恒星甚至在氢耗尽之后都不会在核心产生氦反应。在核心的反应终止之后,褐矮星在电磁波的红外线和微波波段逐渐暗淡下去。

中等质量恒星

达到红巨星阶段时,0.4-3.4倍太阳质量的恒星的外壳会向外膨胀,而核心向内压缩,产生将氦聚变成碳的核反应。聚变会重新产生能量,暂时缓解恒星的死亡过程。

氦燃烧对温度极其敏感,造成很大的不稳定。巨大的波动会使得外壳获得足够的动能脱离恒星,成为行星状星云。行星状星云中心留下的核心会逐渐冷却,成为小而致密的白矮星,通常具有0.6倍太阳质量,但是只有一个地球大小。(太阳质量是地球质量的33万倍)


一对互相旋转的白矮星

在重力和电子互斥力平衡时,白矮星是相对稳定的。在没有能量来源的情况下,恒星在漫长的岁月中释放出剩余的能量,逐渐暗淡下去。最终,释放完能量的白矮星会成为黑矮星。

大质量恒星:

在超出5倍太阳质量的恒星的外壳膨胀成为红超巨星之后,其核心开始被重力压缩,温度和密度的上升会触发一系列聚变反应。这些聚变反应会生成越来越重的元素,产生的能量会暂时延缓恒星的坍缩。但这会造成没有能量来对抗重力,而核心几乎立刻产生坍缩。恒星演化的下一步演化机制并不明确,但是这会在几分之一秒内造成一次剧烈的超新星爆发。


超新星爆炸

现代科学尚未明确超新星爆发的机制,以及恒星残骸的成分,但是已知有两种可能的演化终点:中子星和黑洞。

中子星:

中子星的大小不超过一个大城市,但其质量却比太阳质量还大,所以其密度非常非常大

中子星

黑洞:

被广泛承认的是并非所有超新星都会形成中子星。如果恒星质量足够大,那么连中子也会被压碎,直到恒星的半径小于某一特定的数值后,光也无法射出,成为一个黑洞。

质量要求:塌缩的内核质量超过3.2倍太阳的质量。

宇宙中的黑洞


一个黑洞正在“吞噬”其他天体

揭示恒星生命周期的“赫罗图”


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