恒星种类及其发展过程

2023-08-25 理论教育版权反馈

【摘要】：恒星将氢聚变成氦并释放出大量的热。这个平衡将一直持续到恒星耗尽其核心内所有的氢为止。因此，它们是宇宙中最常见的恒星类型。这颗恒星将通过一种叫作“超新星”的现象发生剧烈爆炸，然后死亡，剩下一种密度极高的恒星，叫作中子星。双星是两颗恒星围绕着彼此运行的系统。可想而知，这取决于两颗恒星之间的轨道距离。如果一颗白矮星吸收其伴星的物质到一定的临界质量并发生猛烈的爆炸，就会产生一种叫作Ⅰ型超新星的爆发。

所有恒星都有一个共同点——在它们生命中的大部分时间，它们靠核聚变发光发热。也就是说，恒星的核心有着巨大的热量和能量，原子在这里融合在一起，形成更重的元素。

核聚变的基本反应是两个氢原子结合形成氦。反应后剩下的总质量比反应前的质量稍微小一些，套用著名的质能方程E=mc²，可以将减少的质量转化为能量。方程中E是能量，m是质量，c是光速。我们知道光速是一个巨大的数字，因此，只需要质量减少很小一点，就能释放出大量的能量。恒星就是这样产生能量的。

恒星将氢聚变成氦并释放出大量的热。随着温度的升高，氦原子又会开始聚变，产生更重的元素。大多数恒星会像这样产生元素周期表中的每一个元素，直到铁元素为止。其实，宇宙中所有铁及铁之前的绝大多数元素都是在恒星的核心被制造出来的^[13]。你骨头里的碳、你呼吸的氧和你吃的钠盐都是在恒星的核心产生的。

恒星有不同的类型和大小，下面列出了几种主要的恒星类型。

一颗将要成为恒星的天体就是原恒星。原恒星由大量气体（主要是氢）组成，这些气体在引力作用下缓缓地聚集在一起，最终会坍塌成球形。这个过程大约需要10万年。

一旦一颗原恒星开始在引力作用下凝聚在一起，来自引力的势能就会成为能量来源，使恒星升温。这时，恒星会经历一段约1亿年的时间——它还没有足够的能量来开始核聚变，但它已经变得又大又亮，看起来就像天空中的其他恒星。处于这个阶段的恒星被称为金牛T型星。

宇宙中大多数恒星都属于主序星。恒星的大小和亮度取决于恒星形成时所聚集的气体数量，而主序星的亮度、质量和大小不尽相同。

主序上的恒星质量可以是太阳质量的0.8倍，也可以是太阳质量的100倍。不过，它们的共同点是，它们都在进行着从氢到氦的聚变反应，并产生大量能量。这种能量产生了一种向外推的力，中和了把恒星向中间拉的引力，形成了所谓的流体静力平衡。这个平衡将一直持续到恒星耗尽其核心内所有的氢为止。

主序上的大多数恒星都是矮星（个头较小的恒星）。以下是一些最常见的矮星：

红矮星

红矮星是一种比太阳冷得多的主序星。红矮星中也在发生核聚变，但发生得太慢，以至于红矮星耗尽燃料的时间比其他主序星要长得多。这意味着它们可以燃烧数十亿年，甚至数万亿年。因此，它们是宇宙中最常见的恒星类型。例如，半人马座的比邻星就是一颗红矮星。

黄矮星

质量与太阳类似的恒星被称为黄矮星。它们比红矮星和白矮星要热得多。

白矮星^[15]

一颗红巨星一旦耗尽燃料，就再也没有足够的质量来提供压力，将其元素融合在一起，因此核聚变就停止了。恒星不再有向外的压力来平衡引力，会发生塌缩。白矮星会继续发光，但不再发生核聚变，它将在接下来的日子里慢慢冷却，这个过程可能要花上数千亿年。

对于许多主序星——比如我们的太阳——而言，一旦核心中的氢全部用完，核聚变就会在核心中停止，然后在核心周围的一个壳层中开始。这会导致恒星变大，达到主序星大小的100倍，并发出红色光芒，成为一颗红巨星。当氢耗尽时，它开始聚变氦和其他更重的元素。如果一颗恒星的质量在太阳质量的8到25倍之间，它就能够聚变铁之前的元素。这个过程将持续数亿年。

如果一颗恒星的质量在太阳质量的10到29倍之间，它就不会塌缩形成白矮星。这颗恒星将通过一种叫作“超新星”的现象发生剧烈爆炸，然后死亡，剩下一种密度极高的恒星，叫作中子星。中子星很小，直径约20公里，但质量却非常巨大，是太阳的2倍多。一茶匙中子星物质重约十亿吨，这意味着中子星表面的引力是地球上引力的20亿倍。

2017年，全球天文学家合作测量了一对中子星碰撞发出的信号，这是人类第一次探测到引力波，也是黑洞成因的第一个证据，为宇宙研究打开了一扇新大门。引力波是这种高能事件在时空中产生的涟漪，爱因斯坦早在100年前就做出了关于引力波的预言。

中子星自转速度非常快，可以高达每分钟43000圈。有一些中子星可以被探测到，因为它们从两端发出大量的辐射，结合高速自转形成辐射脉冲，就像星系间的灯塔，每秒闪烁0.1次到60次。这样的中子星被称为脉冲星。

如果一颗恒星的起始质量大于太阳质量的29倍，它也会经历超新星爆发，但最终会变成黑洞而不是中子星。无论最终产生的是黑洞还是中子星，这种类型的超新星都被称为Ⅱ型超新星。

体积巨大、半径超过1000个太阳半径的恒星被称为超巨星。它们在演化的尽头会爆炸，并且不会留下任何痕迹。它们消耗燃料的速度非常快。也就是说，与其他恒星的寿命相比，它们的寿命只有几百万年，相对较短。

双星是两颗恒星围绕着彼此运行的系统。当有三个或三个以上的恒星参与这类系统时，我们称之为多合聚星系统。你在夜空中看到的大多数恒星，实际上是两颗或更多的恒星聚在一起的聚星系统。

双星通常有两种类型——相互之间离得远的和离得近的。可想而知，这取决于两颗恒星之间的轨道距离。近距离的双星经常会出现这样的情况：一颗恒星会吸收并消耗来自其伴星的物质。如果一颗白矮星吸收其伴星的物质到一定的临界质量并发生猛烈的爆炸，就会产生一种叫作Ⅰ型超新星的爆发。

目视双星意味着双星之间的距离足够远，通过望远镜可以看到两颗恒星。1617年，伽利略最先发现的双星系统就是一个目视双星，他观测到的天体是北斗七星斗柄上的第二颗星。

我们还发现有些行星围绕着双星或聚星系统运行，这意味着这些行星上有两个或多个太阳。

离地球最近的聚星系统是半人马座α星系统，这个系统里有两颗靠得很近的星，分别叫作半人马座αA和半人马座αB。然后，在稍远的地方还有一颗恒星属于这个系统，这就是大名鼎鼎的比邻星，因此它们是一个三合聚星系统。

造父变星是一种亮度会变化的恒星，其温度和大小也会发生变化。造父变星比较明亮，对测量距离很有帮助，这是因为造父变星的绝对星等会随着其光变周期而变化。知道了绝对星等，我们就知道了从10秒差距处看它的亮度，而同时我们也知道在地球上看它的亮度，所以我们可以据此计算出造父变星与地球之间的距离。

[13]因为氢和一部分氦是大爆炸时的原初核合成产生的，跟恒星没有关系。

[14]位于赫罗图（显示恒星序列性的光谱型—光度关系图）上从左上（高温、高光度）至右下（低温、低光度）的序列上的恒星。——编者注

[15]注意，白矮星不是主序星。它是致密星，明显偏离主序。

[16]超新星不是一种恒星，而是一种恒星爆发现象。爆发后如果留下中子星，这个中子星才是一种恒星。

恒星种类及其发展过程

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