第213章 錯覺

長時間的學習讓華楓他們有種回到學生時代的錯覺,那種感覺世界還是祥和的樣子。

主序星核心H耗盡後,離開主序是階段開始了它最後的歷程。結局主要取決於質量。對於質量很小的星體由於質量小,物體內部的自引力並不重要,固體內部的平衡是正負離子間的淨庫侖引力於電子間的壓力來達到平衡的。

當星體質量再大些,直到自引力不可忽略時,這時自引力加大了內部的密度和壓力,壓力的加大是物質發生壓力電離,從而逐漸是固體的電約束瓦解,而過渡爲等離子氣體。加大質量,即加大密度,此時壓力於溫度無關,從而達到一種"冷的"平衡位形,等離子體內電子的動能一大足以在物質內部引起β衰變:

這裡p是原子核中的質子,這樣的反應大致在密度達到1010g·cm-3的時候,它將逐漸地是負離子體中的原子核變爲富中子核,原子核中出現過多的中子,導致核結構鬆散,當密度超過4×1011g·cm-3是中子開始從原子核中分離出來,成爲自由中子,自引力於中子間壓力達到平衡。

如果當質量變大使中子氣體間壓力已不能抵禦物質自引力,而形成黑洞,但由於大多數恆星演化後階段使得質量小於它的初始質量,例如恆星風,"氦閃光",超新星爆發等,它們會是恆星丟失一個很大的百分比質量,因此,恆星的終局並不是可以憑它的初始質量來判斷的,它實際上取決於演化的進程。

那麼我們可以得出這樣的結論。8→10M⊙以下的恆星最終間拋掉它的一部分或大部分質量而變成一個白矮星。8M⊙以上的恆星最終將通過星核的引力塌縮而變成中子星或黑洞,也就是說,塌縮的內核質量在太陽1.44倍——到5倍的恆星,最終成爲中子星,塌縮的內核質量在太陽5倍以上的恆星,最終成爲黑洞。

觀測到的恆星質量範圍一般爲0.1→60M⊙。質量小於0.08M⊙的天體不能達到點火溫度。因此,不發光,不能成爲恆星。質量大於60M⊙的天體中心溫度過高而不穩定,至今僅發現70個以下。

根據實際觀測和光譜分析,我們可以瞭解恆星大氣的基本結構。一般認爲在一部分恆星中,最外層有一個類似日冕狀的高溫低密度星冕。

它常常與星風有關。有的恆星已在星冕內發現有產生某些發射線的色球層,其內層大氣吸收更內層高溫氣體的連續輻射而形成吸收線。人們有時把這層大氣叫作反變層,而把發射連續譜的高溫層叫作光球。其實,形成恆星光輻射的過程說明,光球這一層相當厚,其中各個分層均有發射和吸收。

光球與反變層不能截然分開。太陽型恆星的光球內,有一個平均約十分之一半徑或更厚的對流層。在上主星序恆星和下主星序恆星的內部,對流層的位置很不相同。能量傳輸在光球層內以輻射爲主,在對流層內則以對流爲主。

對於光球和對流層,我們常常利用根據實際測得的物理特性和化學組成建立起來的模型進行較詳細的研究。我們可以從流體靜力學平衡和熱力學平衡的基本假設出發,建立起若干關係式,用以求解星體不同區域的壓力、溫度、密度、不透明度、產能率和化學組成等。在恆星的中心,溫度可以高達數百萬度乃至數億度,具體情況視恆星的基本參量和演化階段而定。在那裡,進行着不同的產能反應。

一般認爲恆星是由星雲凝縮而成,主星序以前的恆星因溫度不夠高,不能發生熱核反應,只能靠引力收縮來產能。

進入主星序之後,中心溫度高達700萬度以上,開始發生氫聚變成氦的熱核反應。這個過程很長,是恆星生命中最長的階段。氫燃燒完畢後,恆星內部收縮,外部膨脹,演變成表面溫度低而體積龐大的紅巨星,並有可能發生脈動。那些內部溫度上升到近億度的恆星,開始發生氦碳循環。

在這些演化過程中,恆星的溫度和光度按一定規律變化,從而在赫羅圖上形成一定的徑跡。最後,一部分恆星發生超新星爆炸,氣殼飛走,核心壓縮成中子星一類的緻密星而趨於“死亡”。

恆星的一切幾乎都取決於它最初的質量,包括本質特徵,例如光度和大小,還有演變、壽命和最終的命運。

多數恆星的年齡在10億至100億歲之間,有些恆星甚至接近觀測到的宇宙年齡—132億歲。目前發現最老的恆星估計的年齡是134億歲。

質量越大的恆星,壽命通常越短暫,主要是因爲質量越大的恆星核心的壓力也越高,造成燃燒氫的速度也越快。許多超大質量的恆星平均只有一百萬年的壽命,但質量最輕的恆星(紅矮星)以很慢的速率燃燒它們的燃料,壽命可以持續幾十到上萬億年。

由於和地球的距離遙遠,除了太陽之外的所有恆星在肉眼看來都只是夜空中的一個光點,並且它們進入到地球的光受到大氣層的擾動,在人眼中看到就是恆星在“閃爍”。太陽也是恆星,但因爲很靠近地球所以不僅看起來呈現圓盤狀,還提供了白天的光線。除了太陽之外,看起來最大的恆星是劍魚座R,它的是直徑是0.057角秒。

我們對恆星的瞭解大多數來自理論的模型和模擬,而這些理論只是建立在恆星光譜和直徑的測量上。除了太陽之外,首顆被測量出直徑的恆星是參宿四,是由亞伯特·亞伯拉罕·米歇爾森在1921年使用威爾遜山天文臺100吋的胡克望遠鏡完成(約1150個太陽直徑)。

對地基的望遠鏡而言,絕大多數的恆星盤面都太小而無法察覺其角直徑,因此要使用干涉儀望遠鏡才能獲得這些恆星的影像。另一種測量恆星角直徑的技術是掩星:這種技術精確的測量被月球掩蔽時光度減弱的過程(或再出現時光度回升的過程),依此可以計算出恆星的視直徑。

恆星的尺寸,從小到只有20公里到40公里的中子星,到像獵戶座參宿四的超巨星,直徑是太陽的1150倍,大約16億公里,但是密度比太陽低很多。目前觀測到的體積最大恆星是大犬座VY,體積約爲太陽的100億倍,質量達50倍太陽質量。

一顆恆星相對於太陽運動可以提供這顆恆星的年齡和起源的有用信息,並且還包括周圍的星系結構和演變。一顆恆星運動的成分包括徑向速度是接近或遠離太陽,和橫越天空的角動量,也就是所謂的自行。

徑向速度是由恆星光譜中的多普勒位移來測量,它的單位是公里/秒。恆星的自行是經由精密的天體測量來確認,其單位爲百萬分之一弧秒(mas)/年。經由測量恆星的視差,自行可以換算成實際的速度單位。恆星自行速率越高的通常就是比較靠近太陽,這也使高自行的恆星成爲視差測量的理想候選者。

一旦兩種運動都已測出,恆星相對於太陽恆星系的空間速度就可以算出來。在鄰近的恆星中,已經發現第一星族的恆星速度通常比較老的第二星族的恆星低,而後者是以傾斜於平面的橢圓軌道運轉的。比較鄰近恆星的動能也能導出和證明星協的結構,它們就像起源於同一個巨大的分子云中共同向着同一個點運動的一羣恆星。

恆星的磁場起源於恆星內部對流的循環開始產生的區域。具有導電性的等離子像發電機,引起在恆星中延伸的磁場。磁場的強度隨着恆星的質量和成分而改變,表面磁性活動的總量取決於恆星自轉的速率。表面的活動會產生星斑,是表面磁場較正常強而溫度較正常低的區域。拱型的星冕圈是從磁場活躍地區進入星冕的光環,星焰是由同樣的磁場活動噴發出的高能粒子爆發的現象。

由於磁場的活動,年輕、高速自轉的恆星傾向於有高度的表面活動。磁場也會增強恆星風,然而自轉的速率有如閘門,隨着恆星的老化而逐漸減緩。因此,像太陽這樣高齡的恆星,自轉的速率較低,表面的活動也較溫和。自轉緩慢的恆星活動程度傾向於週期性的變化,並且可能在週期中暫時停止活動。像是蒙德極小期的例子,太陽有大約70年的時間幾乎完全沒有黑子活動。

恆星的自轉可以透過分光鏡概略的測量,或是追蹤星斑確實的測量。年輕恆星會有很高的自轉速度,在赤道可以超過100 公里/秒。例如,B型的水委一在自轉的赤道速度就高達225 公里/秒甚至更高,使得赤道半徑比極赤道大了50%。這樣的速度僅比讓水委一分裂的臨界速度300 公里/秒低了一些。相較之下,太陽以25 –35天的週期自轉一圈,在赤道的自轉速度只有1.994 公里/秒。恆星的磁場和恆星風對主序帶上恆星的自轉速率的減緩,在演變有着重要的影響。

簡併恆星壓縮成非常緻密的物質,同時造成高速的自轉。但是相較於它們在低自轉速速的狀態由於角動量守恆,—一個轉動的物體會以增加自轉的速率來補償尺寸上的縮減,而絕大部分消散的角動量是經向外吹拂恆星風帶走的。無論如何,波霎的自轉是非常快速的,例如在蟹狀星雲核心的波霎,自轉速率爲每秒30轉。波霎的自轉速率會因爲輻射發射而減緩。

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