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恒星的一生(三):恒星的晚年

2020-02-14 12:03:08来源:人学研究网 已浏览人数:
恒星诞生于星尘之中,终将归于星尘当中去。

(作者:傅煜铭,北京大学天体物理学在读博士生)

恒星末期的演化,也是由恒星的质量决定的。不同质量的恒星最终将分道扬镳。

小质量恒星

对于质量在2倍太阳质量以内的恒星,主序阶段结束后,恒星核心的氢被用完,产生了一个氦的内核,氦内核外是密度更低的氢。由于核心的温度不够高,氦元素无法被点燃发生热核反应。于是,氦内核首先向内收缩,使核心得到加热。这首先造成氦内核外的氢壳层的热核反应被点燃。氢壳的加速燃烧比主序阶段氢内核燃烧产能更多,直接打破了恒星原本的稳定状态,使得恒星剧烈膨胀。

由于恒星扩张到较外部的部分首先被冷却,恒星的表面温度降低了,因此变得比原来更红。这时的恒星演化成为了红巨星。以太阳为例,大约50亿年后,太阳将成为一颗红巨星,那时太阳会变大到现在的100倍,地球也会被太阳吞噬。

 

人学网 宇宙探索 天地起源 这幅图片展示了和太阳质量相当的恒星从诞生(左侧)到晚年(右侧)的尺度演化。大约50亿年后,太阳将成为一颗红巨星,那时太阳会变大到现在的100倍,地球也会被太阳吞噬。

这幅图片展示了和太阳质量相当的恒星从诞生(左侧)到晚年(右侧)的尺度演化。大约50亿年后,太阳将成为一颗红巨星,那时太阳会变大到现在的100倍,地球也会被太阳吞噬。

图片来源:By ESO/M. Kornmesser (http://www.eso.org/public/images/eso1337a/) [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)], via Wikimedia Commons

而在红巨星内部,氢壳燃烧产生了更多的氦,氦内核的物质越来越多,当它向内收缩到使温度将足够高时,燃烧氦元素生成碳元素的热核反应就会被点燃。氦的燃烧十分迅速,恒星核心的氦很快就会被烧尽,形成一个碳的内核。在碳内核之外,分别是同心的氦壳和氢壳,这两个壳层起初会继续发生热核反应,但很快就无法再维持下去。

小质量恒星中心的温度将永远无法点燃碳燃烧的核反应,于是,恒星核心将持续收缩,密度越来越大,最终成为一颗体积很小、温度很高(约几万度)的天体——白矮星。而原来恒星外部的壳层膨胀得很大,最后会与中心的白矮星脱离,扩展到周围的空间中。这些气体物质被中心炽热的白矮星电离,从而可以被我们观测到。由于人们最初在望远镜中看到这些弥散物质很像行星,因此称之为行星状星云。

行星状星云还会继续膨胀,最终被完全吹散,只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量来源,只能日益黯淡,成为不再发光的黑矮星。

 

人学网 宇宙探索 天地起源 哈勃空间望远镜拍摄的天狼星A和天狼星B(箭头所指)的照片。天狼星是物理双星,人类肉眼无法将相互绕转的天狼星A和天狼星B分辨开。天狼星B是白矮星,相比天狼星A要黯淡很多。

哈勃空间望远镜拍摄的天狼星A和天狼星B(箭头所指)的照片。天狼星是物理双星,人类肉眼无法将相互绕转的天狼星A和天狼星B分辨开。天狼星B是白矮星,相比天狼星A要黯淡很多。

图片来源:By Bokus [Public domain], via Wikimedia Commons

大质量恒星

质量较大的恒星在主序阶段结束后,同样会经历氢壳和氦内核燃烧的过程,并膨胀成为红超巨星。不同于小质量恒星的是,大质量恒星的碳内核也会被点燃,从而合成更重的氮、氧元素。质量更大的恒星(8倍太阳质量以上)内核中产生的新元素会一再被点燃,新的更重元素的组成的内核相继形成,内核外包裹着一层层燃烧的不同元素的同心壳层。因此这些大质量恒星还会制造出氖、钠、镁、硅等元素,直到内核变成铁为止。

此时的恒星再也无力支撑自身的引力,以极快的速度向内坍缩,结果是宇宙中谣言的奇观——超新星爆发(II型超新星)。超新星爆发释放巨大的能量,在爆发的瞬间,超新星的光度可以与整个星系的光度相比,天空中就像突然出现了一颗明亮的星星一样。在超新星爆发后,原来恒星的外层物质被抛到周围的宇宙空间中,成为弥散的气体星云,而中心则产生一个致密天体——中子星或者黑洞。

 

人学网 宇宙探索 天地起源 由哈勃空间望远镜宽视场和行星相机2号24次独立的曝光拼接而成的蟹状星云图像,这些图像分别摄于1999年10月,2000年1月和2000年12月。蟹状星云是超新星SN 1054爆发后的遗迹,该超新星在公元1054年爆发时被宋朝的天文学家记录。蟹状星云中心的天体为一颗脉冲星(一种以恒定频率发射电磁脉冲的中子星),也是超新星的遗迹。

由哈勃空间望远镜宽视场和行星相机2号24次独立的曝光拼接而成的蟹状星云图像,这些图像分别摄于1999年10月,2000年1月和2000年12月。蟹状星云是超新星SN 1054爆发后的遗迹,该超新星在公元1054年爆发时被宋朝的天文学家记录。蟹状星云中心的天体为一颗脉冲星(一种以恒定频率发射电磁脉冲的中子星),也是超新星的遗迹。

图片来源:By NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University) (HubbleSite: gallery, release.) [Public domain], via Wikimedia Commons

中子星是一种由中子组成的天体,密度极高,它的直径只有约10千米,但质量却和太阳相当。黑洞则是宇宙中最致密的天体,连光都无法逃脱它引力的束缚。

尾声

超新星爆发的时候,很多比铁更重的元素得以合成。这些元素不仅存在于地下的矿床里、人类的身体中,它们的谱线还出现在了太阳的光谱中。所以,我们的太阳系很有可能就诞生于大质量恒星死亡后的遗迹里。恒星诞生于星尘之中,终将归于星尘当中去。面对浩瀚无垠的宇宙,人类只有意识到了自身的渺小,才有可能变得伟大。

 

人学网 宇宙探索 天地起源 恒星生命周期

恒星生命周期

图片来源:By R.N. Bailey, via Wikimedia Commons; Translated by Yuming


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责编:宇宙探索网天地起源栏目史秀洋

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