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恒星的一生:演化

 cosmos2062 2022-07-14 发布于广东

啊!耐心的星星,教给我你们的心境,

你们每晚都攀上这古老的天空,

不留空白,不留阴影,不留伤痕,

也没有年龄的踪迹和对死亡的惊恐。

——爱默生

原始星云从诞生之日起,到它逐渐演化为一颗稳定的恒星,耗费的时间与星云的质量密切相关。星云的质量越大,自身的引力就越强,演化到主序星阶段的过程就越快。一颗像太阳大小的恒星,它的早期演化阶段需要40万年左右;而一颗质量比太阳大五倍的恒星,它的幼年期只有几万年;如果恒星的质量只有太阳的质量的一半,就需要经历漫长的4亿年才能进入它的成熟期。

在主序星阶段,由于热核反应维持着光和热的辐射,恒星的基本性质没有太大的变化,这种状况一直维持到中心区域的氢聚变燃料耗尽为止。在这个阶段,恒星的中心区域的氢聚变成氦的过程使氦核的数量不断增加。当中心区域的氢基本上耗尽时,主序星阶段将结束,恒星的性质将发生明显的变化。

恒星在主序星阶段的性质如何,能够维持多长的时间,主要取决于恒星的质量。质量比较大的恒星由于引力较强,需要有较高的温度才能提供足以抗衡引力的热压力,因此,这些恒星的内部温度比较高,因而能够以较快的速率燃烧它们的氢。一颗质量为太阳质量的几十倍的恒星,它的主序星阶段只能维持几百万年到几千万年,是一颗光度大、表面温度高的蓝巨星;质量等于几倍太阳质量的恒星将成为一颗白色的或黄红色的恒星,在主序星阶段能够维持几十亿年;我们的太阳是一颗黄矮星,有长达100亿年的寿命;质量更小的恒星在主序星阶段的光度就比较小、表面温度也比较低,是一颗红矮星,它们的寿命长达几千亿年到几万亿年;质量小于十分之一太阳质量的星云,由于自身的引力小,中心温度还未达到氢核聚变的条件就停止收缩而稳定下来,此后,它们将继续缓慢地收缩,并且将引力能释放出来,最后成为一颗黑矮星。

当恒星的中心区域的氢基本上耗尽之后,氢聚变反应所提供的能量已经不足以维持光和热的辐射,核心部分的热压力就抵挡不住它自身强大的引力了,这时,恒星整体开始迅速收缩。收缩过程使温度上升,最终使中心区域的外围开始氢聚变成氦的反应而稳定下来。在中心区域,由于没有足够的热压力,物质将继续收缩,同时释放出巨大的引力能,其中有一部分用来提高核心部分的温度,另一部分则使继续燃烧的外层膨胀,半径扩大几千倍。在这个阶段,主序星将转变成体积巨大,密度很小,表面温度很低,但光度却很大的红巨星。如果恒星的质量很大,这个阶段就会转变成红超巨星。

一颗红超巨星

猎户座α星:距离地球600光年。红超巨星是恒星走近其生命终点的标志,是超新星的前身。这颗一等亮星是除太阳之外人类直接观测到其表面的第一颗恒星。

当恒星的中心区域继续收缩时,温度有可能超过一亿度,这时,新一轮的聚变反应开始了,三个氦核在这样的高温下将聚变成一个碳核。依靠这种反应所释放的巨大的能量,恒星继续维持着光和热的辐射。当中心区域的氦也耗尽之后,它再次收缩,外层区域再次膨胀。结果,中心区域的温度升得更高,表面温度降得更低,成为一颗红超巨星。此后,恒星加快了它的演化步伐,向着其生命的终点进发。这是恒星演化的终局,它的命运怎样,将取决于恒星的质量。

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