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最美麗的星球:從誕生到死亡,恒星的一生會經曆什麼

作者:贽芸

每當太陽落山,我們都能看到夜空中繁星閃爍。這些閃爍的星星大多數都是恒星。因為在宇宙中,行星不會自行發光,隻有恒星會不斷釋放能量。如果沒有恒星,宇宙将陷入一片黑暗。

太陽是一顆典型的黃矮星,它的壽命約為一百億年。目前,我們的太陽已經燃燒了四十五點七億年,正處于壯年時期,還可以繼續為我們提供五十億年的陽光。

為什麼太陽能夠持續燃燒這麼久?在未來,我們是否能夠阻止太陽的熄滅呢?太陽隻是宇宙中無數恒星中普通的一顆。要解決這些問題,我們需要了解恒星的演化過程。

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恒星可以被視為宇宙的基本組成部分,就像原子是物質的基本構成一樣。在人類曆史的大部分時間裡,恒星似乎是永恒不變的。但就像地球上的生命一樣,恒星也會經曆誕生、演化和死亡。

然而,直到一張圖的出現,我們才逐漸揭開了恒星的演化之旅。天門學家利用攝譜儀和照相技術,收集了大量恒星的資料,其中包含與恒星的溫度和亮度有關的資訊。

丹麥天文學家埃希納·赫茨普龍和美國天文學家亨利·羅素獨立地将大量的恒星繪制在一個二維的圖表上,建立了今天赫赫有名的赫羅圖。赫羅圖的縱軸顯示的是恒星的光度,橫軸顯示的是它們的表面溫度。在圖中,恒星的位置顯示了它們所處階段和品質的資訊。

能夠燃燒氫聚變為氦的恒星位于對角線的區域上,也就是所謂的主序星。而像劍魚座AB這樣的紅矮星則位于寒冷而昏暗的角落。它的溫度約為三千攝氏度,光度約為太陽的百分之零點二。

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當一顆恒星耗盡所有的氧時,就會離開主序帶,根據其品質變成紅巨星或超巨星。與太陽品質相當的恒星在燃燒完所有燃料後,最終演化成一顆白矮星。

這張看似簡單的圖,徹底改變了我們對恒星的了解。圖中所顯示的實際上是一張在随機的時間點上拍攝的集體合照。這些恒星散布在宇宙的不同位置,有着不同的亮度和顔色。

從現在的理論來看,恒星誕生于“星雲”之中。星雲是天文學中的通用名稱,指的是任何擴散的天體。形成恒星的星雲則不同,其中大量含有氫分子和少量的氦分子。在宇宙中,這些分子雲逐漸凝聚成“分子雲”。目前,宇宙中幾乎所有的新生恒星都是誕生于分子雲中,就連我們的太陽也不例外。

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從星雲誕生開始,它們就在宇宙中緩慢旋轉。因為在一開始時,星雲的分布範圍很廣,旋轉速度相對較慢。随着時間推移,星雲内部會形成一個由緻密氣體和塵埃組成的區域,通常呈現暗淡的顔色,被稱為“博克球狀體”。博克球狀體的直徑可達一光年,是恒星誕生的重要場所。在銀河系中,至少有6000個分子雲,它們占據了整個銀河系一半以上的品質。每個分子雲都至少擁有100000個太陽的品質。這些分子雲中通常都存在博克球狀體,而博克球狀體中經常可以發現新生的恒星。

太陽和八大行星以及大量的小行星都是誕生于太陽系星雲中。在不斷的旋轉中,星雲中的稠密區域發生了引力塌陷,促使整個星雲的旋轉速度開始加快,星雲的内部開始逐漸凝聚形成了我們的太陽。在星雲中的“星子”形成了各大行星。

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有觀點認為,太陽系星雲之是以會演變成恒星,可能是受到了太陽系附近某顆超新星爆發的影響。在強大的壓力和沖擊下,星雲凝聚成為恒星。簡單了解恒星的誕生後,我們再來了解一下恒星的“死亡”。

從本質上來說,恒星并不會死亡。恒星本身是由大量的氧和氦凝聚而成的等離子球體,促使這些物質凝聚在一起的本質是引力,在恒星的核心密度足夠高後就會發生穩定的核聚變反應,這個時候恒星就被“點亮”了。在恒星形成後,整體會慢慢趨于穩定,這個時候的恒星也被稱為“主序星”。這個時候的恒星十分溫和,相對于其他時期更适合生命的誕生。目前太陽就處于一個穩定期中,但是恒星不可能一直燃燒下去。宇宙中不存在“永動機”,恒星可以保持數十億甚至是上百億年的穩定。對于人類來說,這個時間已經足夠漫長了。

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首先,恒星的死亡并不是因為内部的氧元素被消耗一空,相反大部分恒星在進入演化末期時,恒星的氧元素還十分充足。恒星的死亡是因為星核中的氧元素被大量消耗導緻内部引力失衡,最後發生引力收縮,太陽的内部無法再保持穩定的核聚變反應,這個時候就會發生“氦閃”。

相信大家對氦閃并不陌生,《流浪地球》中就是因為太陽提前氦閃,人類才不得不離開太陽系。在氦閃發生後,恒星的表面亮度會變高,體積也會相對變大,但是恒星的表面溫度卻會持續降低,這個階段的恒星被稱為“紅巨星”。

以太陽為例,在50億年後,太陽發生氦閃,随後膨脹成為一顆紅巨星。漫長的時間後,太陽内部引力再次崩塌變成一顆“白矮星”,這個階段恒星仍然會不斷地向外輻射能量,最終失去大部分能量變成一顆“黑矮星”。最終,這些與太陽品質相當的恒星将在宇宙的遠處消失,成為宇宙的一部分。

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此外,宇宙中還存在着一些品質極大的巨型行星,它們在内部引力崩潰後不會像紅巨星那樣膨脹,而是會發生“超新星爆發”。科學家們認為,當品質達到八倍太陽品質時,恒星在演化末期會發生超新星爆發。這是恒星一生中最閃耀的時刻之一。超新星爆發會照亮整個星系,持續幾周甚至幾個月。在超新星爆發過程中,大量物質被噴射出來,形成一個“超新星遺迹”,它與宇宙中的分子雲和新生恒星的形成密切相關。

根據品質的不同,超新星爆發後,恒星會成為“中子星”或“黑洞”。品質較小的中子星在不斷釋放能量後,也會成為一顆黑矮星。關于黑洞的結局,目前還沒有一個确切的答案。根據霍金提出的“霍金輻射”理論,黑洞可能會不斷蒸發直到消失,這就是恒星璀璨的一生。從現有的理論來看,恒星的誕生和死亡是一個循環過程。宇宙中每時每刻都有大量的恒星死亡,也有大量的恒星誕生。相對于恒星的一生,我們的一生太過短暫,是以無法真正地觀察到它們的演變。

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但是,通過随機測量大量恒星,我們可以看到那些處于巨星階段或超巨星階段的較老恒星。然後通過統計學分析,可以了解它們的理論演化軌迹是否與赫羅圖所示的一緻。結果表明,答案是肯定的。是以,這張圖不僅可以告訴我們恒星的本質,還可以告訴我們這些發光的球體在數十億年的宇宙史中是如何變化的。

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