《宇宙的起源》2第二講 恒星的產(chǎn)生與消亡

宇宙的起源第二講恒星的產(chǎn)生與消亡恒星是怎樣產(chǎn)生的？又是如何演化的？最終怎樣走向消亡？恒星的產(chǎn)生與消亡恒星恒星的誕生恒星的演化與消亡恒星

凡是由熾熱氣態(tài)物質(zhì)組成,能自行發(fā)熱發(fā)光的球形或接近球形的天體都可以稱為恒星。

晴夜，我們用肉眼可以看到約三千顆恒星，但這只不過(guò)是巨大冰山的一角，恒星統(tǒng)治著整個(gè)宇宙。銀河系就有2000億顆恒星，在目前可觀測(cè)到的宇宙空間中，就有超過(guò)1000億個(gè)河外星系。理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯教授說(shuō)道：“我們身體里的每一個(gè)原子，都是在恒星炙熱的內(nèi)核中產(chǎn)生的”。加來(lái)道雄教授描述道：“我們的命運(yùn)與恒星的命運(yùn)緊密相連”。恒星在暴力中誕生，在壯麗的大爆炸中死去；每一顆恒星都威力無(wú)窮1，它們創(chuàng)造的基本物質(zhì)，組成了宇宙萬(wàn)物，其中也包括人類。給予我們光明和溫暖的太陽(yáng)光，其實(shí)不過(guò)是一種星光。

大多數(shù)恒星由于距離遙遠(yuǎn)，我們對(duì)它們知之甚少，但有一顆恒星離我們很近，事實(shí)上我們對(duì)恒星的所有認(rèn)知，都來(lái)源于這個(gè)近鄰。近四十六億年以來(lái)，這個(gè)由熾熱氣體組成的星球，始終照耀并主宰著地球的萬(wàn)物。太陽(yáng)的直徑約為140萬(wàn)公里，而與其它更大的恒星相比，太陽(yáng)的確微不足道，比如恒星海山二，比太陽(yáng)大五百多萬(wàn)倍，位于獵戶座的參宿四比海山二還要大300倍。燃燒的恒星顯出各種不同的顏色：紅色、黃色或者藍(lán)色，有些恒星煢煢孑立，有許多是“成雙成對(duì)”地緊密靠在一起的，按照一定的規(guī)律互相繞轉(zhuǎn)著，這稱為雙星，億萬(wàn)顆恒星匯聚成巨大的星系，密布整個(gè)宇宙。恒星的誕生

每顆恒星都獨(dú)具特色，但它們的最初形成的方式完全相同，它們由被稱為星云的云霧似的極其稀薄的氣體和塵埃組成。形狀很不規(guī)則、影像蔚為壯觀、形態(tài)各異直徑長(zhǎng)達(dá)數(shù)十億公里的星云漂浮于太空中。每一個(gè)星云都是恒星的搖藍(lán)，其中孕育著數(shù)百萬(wàn)顆恒星。

2麒麟座玫瑰星云馬頭星云恒星形成的過(guò)程并不出現(xiàn)在星云最燦爛、閃耀的地方，而是那些較暗的區(qū)域，在這些區(qū)域中存在密集的氣體和塵埃。普通望遠(yuǎn)鏡無(wú)法觀測(cè)到塵埃內(nèi)部的景像。所以我們無(wú)法看到恒星誕生的過(guò)程，也無(wú)法在第一時(shí)間觀察到剛剛誕生的恒星。2004年，美國(guó)宇航局發(fā)射了一架用來(lái)觀察熱量的紅外望遠(yuǎn)鏡：斯皮策太空望遠(yuǎn)鏡，從而能夠觀測(cè)星云內(nèi)部新恒星的形成。恒星的形成需要?dú)錃?、引力和時(shí)間，塵埃和氣體在引力作用下聚集并不斷擠壓至很小的體積，溫度升高，數(shù)十萬(wàn)年來(lái)星云的密度不斷增大，形成了巨大的盤狀旋渦，直徑甚至超過(guò)了太陽(yáng)系，而位于中心的氣體，在引力的不斷擠壓下，形成了具有超高密度和溫度的球體，隨著壓力不斷增大，巨大的氣柱從中心噴射而出，可見恒星的誕生有多么的激烈。引力的作用持續(xù)而強(qiáng)烈，氣體和塵埃顆粒被不斷吸入，并相互擠壓，產(chǎn)生了越來(lái)越多的熱量，突然間氣體中的原子開始熔化，恒星開始燃燒。在未來(lái)的50萬(wàn)年的時(shí)間里，年輕的恒星將逐漸變小，并變得更亮、更熱，核心區(qū)域的溫度將達(dá)到1500萬(wàn)攝氏度，氣體原子只有在驚人的高溫下，才能發(fā)生聚變并釋放出巨大的能量，一顆恒星就是這樣誕生的。在未來(lái)數(shù)百萬(wàn)年、數(shù)十億年甚至數(shù)萬(wàn)億年的時(shí)間里，它會(huì)一直發(fā)光。為此，讓我們來(lái)看《了解宇宙是如何運(yùn)行》關(guān)于恒星誕生的描述。恒星的演化與消亡恒星消耗的燃料是核聚變的能量恒星的演化恒星的消亡3（1）恒星消耗的燃料，是核聚變的能量

在未來(lái)數(shù)百萬(wàn)年、數(shù)十億年甚至數(shù)萬(wàn)億年的時(shí)間里，恒星會(huì)釋放出巨大的熱量和光芒。但是這需要消耗大量的燃料，直到二十世紀(jì)初，人們還對(duì)這種燃料一無(wú)所知。物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘，他的理論證明，恒星可以開發(fā)出原子內(nèi)部的能量并加以利用，將原子互相聚合即可以釋放出一種稱為核聚變的能量，為恒星提供動(dòng)力。青壯年期更年期老年期(2)恒星的演化

恒星的演化如同人的一生,經(jīng)歷從青壯年到更年期,老年期的過(guò)程。1)恒星的青壯年期—主序星恒星以內(nèi)部氫核聚變?yōu)楹ぶ饕茉吹陌l(fā)展階段就是恒星的主序階段。處于主序階段的恒星稱為主序星。主序階段是恒星的青壯年期，恒星在這一階段停留的時(shí)間占整個(gè)壽命的90%以上。這是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，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。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。

目前的太陽(yáng)也是一顆主序星，太陽(yáng)的內(nèi)核每秒都會(huì)消耗六億多噸氫燃料。太陽(yáng)現(xiàn)在的年齡為50億年，它的主序階段已過(guò)去了約一半的時(shí)間，還要50億年才會(huì)轉(zhuǎn)到另一個(gè)演化階段。

恒星內(nèi)部的核聚變所產(chǎn)生的能量，相當(dāng)于每秒鐘十億顆原子彈爆炸所產(chǎn)生的能量。加來(lái)道雄教授描述道：“恒星就像一枚巨大的氫彈，那么它為什么沒有直接炸成碎片呢？這是引力擠壓恒星外層的結(jié)果。一方是試圖將恒星壓得緊實(shí)的引力，另一方則是在核聚變的過(guò)程中釋放出的能量企圖將恒星炸成碎片。這兩種力量相互制衡，最終造就了恒星?！?/p>

這場(chǎng)力量之爭(zhēng)，貫穿恒星的整個(gè)生命過(guò)程，兩種令人生畏的自然力量，達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，隨著戰(zhàn)斗的不斷升級(jí)，恒星也發(fā)出光和熱，同時(shí)也釋放出破壞性很強(qiáng)的物質(zhì)：恒星風(fēng)（太陽(yáng)風(fēng)），恒星越大，恒星風(fēng)的威力就越大。

2)恒星的更年期

恒星的更年期出現(xiàn)在恒星核心部分的氫完全轉(zhuǎn)變成氦后，產(chǎn)生能量的過(guò)程就停了下來(lái)，于是輻射壓力下降，恒星的核心部分在引力作用下猛烈收縮。收縮產(chǎn)生的巨大熱量使恒星內(nèi)部的溫度再次急劇升高，直到引發(fā)3個(gè)氦核聚變成1個(gè)碳核的熱核反應(yīng)，形成新一輪核反應(yīng)。氦核聚變成碳核的熱核反應(yīng)告終后，巨大質(zhì)量的恒星的核心又會(huì)繼續(xù)進(jìn)行類似的核反應(yīng)，依次發(fā)生合成氧、硅等元素的核聚變，直到合成最穩(wěn)定的鐵元素為止。這一階段恒星核心經(jīng)歷這些不同的核聚變反應(yīng)，恒星也經(jīng)歷多次收縮膨脹，其光度也發(fā)生周期性變化，最后產(chǎn)生巨大輻射壓力，自恒星內(nèi)部往外傳遞，并將恒星的外層物質(zhì)迅速推向外圍空間，形成紅巨星、紅超巨星。3)恒星的老年期

恒星的老年期是從一顆恒星變成紅巨星開始進(jìn)入這一階段的。在巨星階段，恒星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因?yàn)樵谶@恒星迅速膨脹的同時(shí)，它的外表面離中心越來(lái)越遠(yuǎn)，所以溫度將隨之而降低，發(fā)出的光也就越來(lái)越偏紅。不過(guò)，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。（3）恒星的消亡恒星因初始質(zhì)量不同而有不同的歸宿,即白矮星和中子星。白矮星1)小質(zhì)量恒星的死亡

初始質(zhì)量小于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星最后將坍縮成一顆白矮星。

隨著恒星的外層不斷升溫，恒星也在一直向外擴(kuò)張。太陽(yáng)現(xiàn)在的直徑為140萬(wàn)公里，隨著它的持續(xù)膨脹，將接近二億公里，到那時(shí)我們的太陽(yáng)將成為一顆紅巨星，地球上的溫度將達(dá)到數(shù)千攝氏度，海水將會(huì)沸騰，山峰也將熔化，膨脹的太陽(yáng)會(huì)將地球完全吞沒。然而這顆紅巨星也在自我毀滅，它的內(nèi)核變得極不穩(wěn)定，處境十分危險(xiǎn)，當(dāng)所有氫氣都燃燒殆盡后，恒星開始燃燒氦氣，它們聚合形成碳，此時(shí)的恒星正在由內(nèi)而外自我毀滅，從內(nèi)核涌出的能量沖破恒星的表層，這些能量波將會(huì)剝離恒星的外層，恒星也將完全瓦解。這顆恒星已經(jīng)死亡，它所殘留的物質(zhì)：就是一顆炙熱、濃縮的內(nèi)核，紅巨星最終演變成一顆白矮星。在太陽(yáng)即將消亡之時(shí)，它將變成一顆與地球大小相當(dāng)?shù)陌装?，密度約為地球的100萬(wàn)倍，但它要經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年甚至數(shù)十億年才能冷卻下來(lái)。天文學(xué)家們相信在白矮星的中心，存在著一顆碩大的純碳晶體，也就是一塊直徑約為數(shù)千公里的鉆石。2)大質(zhì)量恒星的死亡

巨大恒星的生命燦爛而輝煌，光芒耀眼而璀璨，就連死亡也無(wú)比壯烈。但它們?cè)跉鐣r(shí)產(chǎn)生的物質(zhì)，構(gòu)建了整個(gè)宇宙，同時(shí)也造就了生命。距離地球不到600光年的恒星參宿四即將死亡，以宇宙紀(jì)年來(lái)算，它比太陽(yáng)還要年輕幾百萬(wàn)年，但參宿四內(nèi)部的核聚變卻劇烈得多。天文學(xué)家菲爾·佩雷特博士告訴我們：“參宿四是與太陽(yáng)完全不同的恒星，它是紅超巨星，原因就在于參宿四的質(zhì)量更大，約為太陽(yáng)質(zhì)量26

初始質(zhì)量大于8倍太陽(yáng)質(zhì)量的巨大恒星消亡時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更為劇烈的爆炸，其殘骸就是中子星，與此同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生組成生命的最基本元素。的20倍，所以在參宿四內(nèi)核中發(fā)生的一切，與太陽(yáng)的情況迥然不同?！贝筚|(zhì)量恒星所產(chǎn)生的壓力和溫度，遠(yuǎn)高于宇宙中的其它星體，參宿四的引力十分驚人，可以將更大的原子擠壓在一起，大質(zhì)量恒星的內(nèi)核如同一座工廠，可以制造出質(zhì)量更大的元素，氦核聚變成碳核的熱核反應(yīng)告終后，恒星的核心又會(huì)繼續(xù)進(jìn)行類似的核反應(yīng)，依次發(fā)生合成氧、硅等元素的核聚變，直到合成最穩(wěn)定的鐵元素為止，這也進(jìn)一步推動(dòng)了恒星的毀滅。一旦恒星中開始產(chǎn)生鐵元素，這顆恒星就在劫難逃了。天文學(xué)家米歇爾·泰勒博士告訴我們：“在科幻小說(shuō)里，有很多關(guān)于恒星殺手的奇異構(gòu)想，出人意料的是：這個(gè)殺手就是平淡無(wú)奇的鐵元素?！辫F可以吸收能量，從大質(zhì)量恒星產(chǎn)生鐵元素的那一刻起，恒星就已經(jīng)時(shí)日無(wú)多了。鐵球不斷掠奪維持恒星生存的能量，試圖壓扁恒星的引力與企圖撕裂恒星的核聚變之間的戰(zhàn)爭(zhēng)宣告結(jié)束，隨著鐵元素的出現(xiàn)，核聚變已窮途末路，引力贏得最終勝利。天文學(xué)家菲爾·佩雷特博士描述道：“鐵內(nèi)核最終崩塌，恒星的外層向內(nèi)塌縮，引發(fā)激烈的爆炸。這是宇宙中威力最大的事件之一：一顆超新星誕生了”。天文學(xué)家米歇爾·泰勒博士描述道：“在鐵元素最初形成的幾秒內(nèi)，恒星在超新星內(nèi)部爆炸。當(dāng)你手握鐵鍋時(shí)，想像一下：鐵元素可以在幾秒鐘內(nèi)毀滅一顆恒星，多么危險(xiǎn)的東西”。恒星內(nèi)核深處的物質(zhì)，在沖擊波的帶動(dòng)下沖到表層，在爆炸產(chǎn)生的極端高溫及混亂中，新的元素也隨之產(chǎn)生，這些物質(zhì)有金、銀和鉑，由于可供元素產(chǎn)生的時(shí)間十分短暫，它們也成為了宇宙中最為罕見和珍貴的物質(zhì)。恒星爆炸殘留的超高密度內(nèi)核，成為了中子星，它的直徑只有30公里，但它的質(zhì)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想像，其密度可達(dá)，天文學(xué)家菲爾·佩雷特博士描述道：“它的密度大得驚人，僅一立方厘米，也就是一個(gè)糖塊大小的中子星物質(zhì)的重量，就相當(dāng)于美國(guó)所有轎車重量的總和”。超新星爆發(fā)對(duì)于星際物質(zhì)的化學(xué)成分有關(guān)鍵影響，這些物質(zhì)又是建造下一代恒星的原材料。消亡的恒星所留下的不僅是中子星殘骸，它還將新的元素帶入宇宙空間。加來(lái)道雄教授描述道：“只有超新星才擁有足夠的能量，熔合這些對(duì)生命至關(guān)重要的元素，如果沒有超新星就沒有生命，你我也都不會(huì)存在”。當(dāng)大質(zhì)量恒星消亡時(shí)，散入宇宙的塵埃播撒了生命的種子，塵埃中富含氫、碳、氧、硅以及鐵等物質(zhì)，這些基本元素，將組成新的恒星、太陽(yáng)系、行星也包括我們自己，我們周圍的一切，都來(lái)自于恒星的內(nèi)核。就連太陽(yáng)中的原子，也是經(jīng)過(guò)循環(huán)利用的，它們來(lái)源于很久以前死亡的第三代或第四代恒星的殘骸。為此，讓我們來(lái)看《了解宇宙是如何運(yùn)行》關(guān)于大質(zhì)量恒星消亡的描述。30

現(xiàn)在的宇宙中擁有無(wú)數(shù)恒星，但這一時(shí)代終將過(guò)去。宇宙中有限的氫燃料將在數(shù)萬(wàn)億年后完全耗盡，一但宇宙的氫氣用盡，新的恒星也就無(wú)法形成。恒星遲早會(huì)邁向死亡，大質(zhì)量恒星最先開