恒星的產(chǎn)生與演化

　　 1955年，前蘇聯(lián)著名天文學(xué)家阿姆巴楚米揚(yáng)提出“超密說”。他認(rèn)為，恒星是由一種神秘的“星前物質(zhì)”爆炸而形成的。具體地講，這種星前物質(zhì)體積非常小，密度非常大，但它的性質(zhì)人們還不清楚。不過，多數(shù)科學(xué)家都不接受這種觀點(diǎn)。與“超密說”不同的是“彌漫說”，其主旨是認(rèn)為恒星由低密度的星際物質(zhì)構(gòu)成。它的淵源可以追溯到18世紀(jì)康德和拉普拉斯提出的“星云假說”。星際物質(zhì)是一些非常稀薄的氣體和細(xì)小的塵埃物質(zhì)，它們在宇宙中各處構(gòu)成龐大的像云一樣的集團(tuán)。這些物質(zhì)密度很小，每立方千米只有10-8—10-4克，主要成分是氫（90%）和氦（10%），它們的溫度為-200攝氏度—-100攝氏度。從觀測來看，星云分為兩種：被附近恒星照亮的星云和暗星云。它們的形狀有網(wǎng)狀、面包圈狀等，最有名的是獵戶座的“暗灣”，其形狀像一匹披散著鬃毛的黑馬的馬頭，因此也叫“馬頭星云”，而美國科普作家阿西莫夫說它更像迪斯尼動畫片中的“大灰狼”的頭部和肩部。星云是構(gòu)成恒星的物質(zhì)，但真正構(gòu)成恒星的物質(zhì)量非常大，構(gòu)成太陽這樣的恒星需要一個方圓900億千米的星云團(tuán)。從星云聚為恒星分為快收縮階段和慢收縮階段。前者歷經(jīng)幾十萬年，后者歷經(jīng)數(shù)千萬年。星云快收縮后半徑僅為原來的百分之一，平均密度提高1億億倍，最后形成一個“星胚”。這是一個又濃又黑的云團(tuán)，中心為一密集核。此后進(jìn)入慢收縮，也叫原恒星階段。這時星胚溫度不斷升高，高到一定的程度就要閃爍身形，以示其存在，并步入幼年階段。但這時發(fā)光尚不穩(wěn)定，仍被彌漫的星云物質(zhì)所包圍著，并向外界拋射物質(zhì)。隨著射電技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對恒星起源問題有了更深刻的認(rèn)識，但就研究本身來說還有許多細(xì)節(jié)不清楚，特別是快收縮階段，對其物理機(jī)制的認(rèn)識還不全面，還需進(jìn)行更全面的觀測和更深入的研究。德國大哲學(xué)家康德曾提出著名的時空悖論，強(qiáng)調(diào)人們關(guān)于宇宙有限與無限的理解必然存在著矛盾。古典力學(xué)創(chuàng)立者牛頓設(shè)想：宇宙像一個無邊界的大箱子，無數(shù)恒星均勻地分布在這個既無限又空虛的箱子里，靠萬有引力聯(lián)系著。他的觀點(diǎn)引出了有名的“光度怪論”（即奧爾伯斯佯謬）：如果宇宙真的是無限的，恒星又是均勻地分布著，那么夜晚的天空將會變得無限明亮。相對論大師愛因斯坦于1917年提出了有限宇宙的模型，“把宇宙看做是一個在空間尺度方面的有限閉合的連續(xù)區(qū)”，并從宇宙物質(zhì)均勻分布的前提出發(fā)，在數(shù)學(xué)上建立了一個前所未有的“無界而有限”、“有限而閉合”的“四維連續(xù)體”，即一個封閉的宇宙。根據(jù)愛因斯坦提供的這個“宇宙球”模型推想，在宇宙任何一點(diǎn)上發(fā)出的光線，都將會沿著時空曲面在100億年后返回它的出發(fā)點(diǎn)。人類目前的認(rèn)識，實(shí)際上是把宇宙作為在時間上有起點(diǎn)、在空間上有限度的想象模型來對待的。宇宙的范圍究竟是有限的，還是無限的？現(xiàn)實(shí)的回答只能是：人們所能認(rèn)識的宇宙還是極其有限的，只要人們找不到宇宙可以窮盡的跡象，那么就應(yīng)該承認(rèn)，對宇宙范圍的探索是沒有止境的。人類對恒星演化過程的了解，要比對恒星起源的認(rèn)識更為全面和深入。經(jīng)過恒星的幼年，恒星才真正成為一顆天體。年輕的恒星仍在收縮，因此溫度仍在升高。升到1000萬攝氏度以上時，星系核心的氫元素開始進(jìn)行聚變反應(yīng)，并釋放能量。這樣一來，恒星變得比較穩(wěn)定，并進(jìn)入“青壯年期”。人類對恒星的演化過程的科學(xué)研究中，最重要的成就是20世紀(jì)初丹麥天文學(xué)家赫獲普龍和美國天文學(xué)家羅素對恒星光譜和光度關(guān)系的研究，他們將此繪制成圖，人們稱此圖為赫次普龍—羅素圖，簡稱赫羅圖。由此圖可知，恒星要經(jīng)過主序星（青壯年）階段和紅巨星（老年）階段。赫羅圖非常直觀，人們借此可發(fā)現(xiàn)在觀測到的恒星中，有90%是處在主序星階段（太陽也處在這個階段）。這個階段是恒星經(jīng)歷最長的階段，約幾億年到幾十億年。這時的恒星已不收縮了，燃燒后的能量全部輻射掉。它的主要特征是：大質(zhì)量恒星溫度高，光度大，色偏藍(lán)；小質(zhì)量恒星溫度低，光度小，色偏紅。當(dāng)恒星變老成為一顆紅巨星時，在它的核反應(yīng)中，除了氫之外，氦也開始燃燒，接著又有碳加入燃燒行列。此時它的中心溫度更高，可達(dá)幾億度，發(fā)光強(qiáng)度也升高，體積也變得龐大。獵戶座的參宿四就是一顆最老的紅巨星。太陽老了也會變成紅巨星，那時它將膨脹得非常大，以至于會把地球吞掉———如果那時人類還存在著，就要“搬家”了，搬到離太陽遠(yuǎn)一些的行星上去住。赫羅圖的建立，是天體物理學(xué)研究取得的重要成就之一。但是由于材料尚不夠完善，人們對恒星演化過程的許多細(xì)節(jié)還不很清楚，如星際物質(zhì)的化學(xué)成分，塵埃和氣體的比例，塵埃的吸收能力等，這也使恒星演化理論受到到了一種很大的挑戰(zhàn)。夜晚的天穹，星海茫茫。由于地球的自轉(zhuǎn)，群星同太陽一樣，慢慢地東升西落。除了肉眼可見的五大行星（以及彗星、流星）在星空為背景的舞臺上往來移動之外，其他眾多的星星之間的相對，位置卻像是亙古不變的，古人因此稱之為“恒”星。隨著近代科學(xué)的發(fā)展，我們終于認(rèn)識到恒星其實(shí)就是“遙遠(yuǎn)的太陽”。歷史上，東西方人都依據(jù)了恒星相對位置不變的特征，把恒星 三三兩兩地組合起來，將星空劃分成若干個區(qū)域，后來這些區(qū)域被稱為星座。據(jù)《史記·天官書》記載，我國早在周朝以前就將星空劃分成三垣28宿。公元前三千年左右，巴比倫人把較亮的星劃分成若干個星座。古希臘人在公元前270年前后，以神話中的人物或動物把北天的48個星座命名。南天星座則是在17世紀(jì)的環(huán)球航行中才逐漸確定的。1841年J·F赫歇爾耳提出了用赤經(jīng)、赤緯來做星座的界線，精確了星座的劃分。1928年國際天文學(xué)聯(lián)合會以古希臘星座為藍(lán)圖，確定了現(xiàn)在國標(biāo)上通用的88個星座，古老的星座中蘊(yùn)藏著許多美麗的神話，為冷寂的星空增添了人類文化的色彩。在晴朗的夜晚，人的肉眼能夠看到六千九百多顆較亮的恒星。但是，一個人無論何時只能仰望“半個天”，同時只能看到三千多顆星，其中有部分是恒星。我們看到的著名的蟹狀星云、古姆星云以及幕狀星云等皆為恒星爆炸后的遺骸———超新星遺跡。現(xiàn)代粒子物理學(xué)家和天文學(xué)家正研究當(dāng)年恒星爆炸的主要原因和條件。超新星是大質(zhì)量恒星（質(zhì)量≥10個太陽質(zhì)量）在晚年發(fā)生激烈的、粉碎性的爆炸現(xiàn)象， 一般質(zhì)量較小的恒星并不以超新星爆發(fā)終了它的一生。大質(zhì)量的恒星在晚年為什么會爆炸呢？長期以來科學(xué)家們進(jìn)行了熱烈討論，提出了多種理論，其中較普遍的理論是“核爆炸理論”。在恒星演化過程的研究中，科學(xué)家認(rèn)為恒星內(nèi)部的熱核反應(yīng)是一個持續(xù)不斷的過程。一般先是以氫為“燃料”，即在極高溫度下氫原子核聚變過程中釋放出巨大能量。恒星的核心部分———星核的氫燃料耗盡后，星核中心收縮釋放的引力能使恒星的氫殼層燃燒，同時恒星外層向外膨脹。星核的收縮，還使這個“熱核反應(yīng)爐”升溫（可達(dá)2億攝氏度）。這時候，氦開始燃燒，與此同時星核收縮停止。氦燃燒的灰燼是碳和氧。在氦燃料耗盡時，星核又開始收縮。這時的恒星有點(diǎn)像是兩個套在一起的球殼———雙燃燒殼源，一個是氫殼源，另一個是氦殼源。當(dāng)星核收縮到一定程度，核內(nèi)的溫度達(dá)到8億攝氏度時，碳開始燃燒。碳燃燒的主要灰燼是氧，氧燃燒后的灰燼是硅。每當(dāng)恒星核心一種燃料用完之后，星核缺少能量輻射時便開始收縮，在星核收縮的過程中可釋放更多的引力能，因而使星核內(nèi)部達(dá)到更高的溫度。一旦達(dá)到下一種燃料的點(diǎn)火溫度，便開始新的燃燒。恒星在晚年變得越來越不穩(wěn)定，熱核反應(yīng)一輪接一輪地進(jìn)行，熱核反應(yīng)的速率也進(jìn)一步加快，導(dǎo)致整個恒星爆炸，從而形成超新星爆