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連載 | 恆星的一生(三):恆星的晚年

6月
13
2018

2018年6月13日14時 今日科學 NASA中文

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恆星末期的演化,也是由恆星的質量決定的。不同質量的恆星最終將分道揚鑣。

小質量恆星

對於質量在2倍太陽質量以內的恆星,主序階段結束後,恆星核心的氫被用完,產生了一個氦的內核,氦內核外是密度更低的氫。由於核心的溫度不夠高,氦元素無法被點燃發生熱核反應。於是,氦內核首先向內收縮,使核心得到加熱。這首先造成氦內核外的氫殼層的熱核反應被點燃。氫殼的加速燃燒比主序階段氫內核燃燒產能更多,直接打破了恆星原本的穩定狀態,使得恆星劇烈膨脹。

由於恆星擴張到較外部的部分首先被冷卻,恆星的表面溫度降低了,因此變得比原來更紅。這時的恆星演化成為了紅巨星。以太陽為例,大約50億年後,太陽將成為一顆紅巨星,那時太陽會變大到現在的100倍,地球也會被太陽吞噬。

這幅圖片展示了和太陽質量相當的恆星從誕生(左側)到晚年(右側)的尺度演化。大約50億年後,太陽將成為一顆紅巨星,那時太陽會變大到現在的100倍,地球也會被太陽吞噬。

圖片來源:By ESO/M. Kornmesser (http://www.eso.org/public/images/eso1337a/) , via Wikimedia Commons

而在紅巨星內部,氫殼燃燒產生了更多的氦,氦內核的物質越來越多,當它向內收縮到使溫度將足夠高時,燃燒氦元素生成碳元素的熱核反應就會被點燃。氦的燃燒十分迅速,恆星核心的氦很快就會被燒盡,形成一個碳的內核。在碳內核之外,分別是同心的氦殼和氫殼,這兩個殼層起初會繼續發生熱核反應,但很快就無法再維持下去。

小質量恆星中心的溫度將永遠無法點燃碳燃燒的核反應,於是,恆星核心將持續收縮,密度越來越大,最終成為一顆體積很小、溫度很高(約幾萬度)的天體——白矮星。而原來恆星外部的殼層膨脹得很大,最後會與中心的白矮星脫離,擴展到周圍的空間中。這些氣體物質被中心熾熱的白矮星電離,從而可以被我們觀測到。由於人們最初在望遠鏡中看到這些彌散物質很像行星,因此稱之為行星狀星雲。

行星狀星雲還會繼續膨脹,最終被完全吹散,只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量來源,只能日益黯淡,成為不再發光的黑矮星。

哈勃空間望遠鏡拍攝的天狼星A和天狼星B(箭頭所指)的照片。天狼星是物理雙星,人類肉眼無法將相互繞轉的天狼星A和天狼星B分辨開。天狼星B是白矮星,相比天狼星A要黯淡很多。

圖片來源:By Bokus , via Wikimedia Commons

大質量恆星

質量較大的恆星在主序階段結束後,同樣會經歷氫殼和氦內核燃燒的過程,並膨脹成為紅超巨星。不同於小質量恆星的是,大質量恆星的碳內核也會被點燃,從而合成更重的氮、氧元素。質量更大的恆星(8倍太陽質量以上)內核中產生的新元素會一再被點燃,新的更重元素的組成的內核相繼形成,內核外包裹著一層層燃燒的不同元素的同心殼層。因此這些大質量恆星還會製造出氖、鈉、鎂、矽等元素,直到內核變成鐵為止。

此時的恆星再也無力支撐自身的引力,以極快的速度向內坍縮,結果是宇宙中謠言的奇觀——超新星爆發(II型超新星)。超新星爆發釋放巨大的能量,在爆發的瞬間,超新星的光度可以與整個星系的光度相比,天空中就像突然出現了一顆明亮的星星一樣。在超新星爆發後,原來恆星的外層物質被拋到周圍的宇宙空間中,成為彌散的氣體星雲,而中心則產生一個緻密天體——中子星或者黑洞。

由哈勃空間望遠鏡寬視場和行星相機2號24次獨立的曝光拼接而成的蟹狀星雲圖像,這些圖像分別攝於1999年10月,2000年1月和2000年12月。蟹狀星雲是超新星SN 1054爆發後的遺蹟,該超新星在公元1054年爆發時被宋朝的天文學家記錄。蟹狀星雲中心的天體為一顆脈衝星(一種以恆定頻率發射電磁脈衝的中子星),也是超新星的遺蹟。

圖片來源:By NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) (HubbleSite: gallery, release.) , via Wikimedia Commons

中子星是一種由中子組成的天體,密度極高,它的直徑只有約10千米,但質量卻和太陽相當。黑洞則是宇宙中最緻密的天體,連光都無法逃脫它引力的束縛。

尾聲

超新星爆發的時候,很多比鐵更重的元素得以合成。這些元素不僅存在於地下的礦床里、人類的身體中,它們的譜線還出現在了太陽的光譜中。所以,我們的太陽系很有可能就誕生於大質量恆星死亡後的遺蹟里。恆星誕生於星塵之中,終將歸於星塵當中去。面對浩瀚無垠的宇宙,人類只有意識到了自身的渺小,才有可能變得偉大。

恆星生命周期

圖片來源:By R.N. Bailey, via Wikimedia Commons; Translated by Yuming


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