现代天文学中的几个科普知识（一）

—关于恒星的演化理论

华中科技大学，徐长发，2016.8.22

一.前言

本人时有兴趣地学习一些现代天文学中的科普知识。在学习中发现，我要找的科普知识都是支离破碎的，有的阅读不顺，有的难以理解，有的很多问题交织在一起，有的理论太复杂，不得已自己梳理，自己提出问题，在网上找答案，再分析整理。本文试图用通俗的语言叙述高深天文学中的几个科普知识，试图那些具有高中物理知识的朋友们都能顺利读懂我对这些科普知识的理解。

二、恒星演化理论

现在一个普遍赞同的观点,恒星是由宇宙中的巨型星子云的引力塌缩所形成的。引起星子云聚集的因素很多,例如某些星体的爆发所抛出的高速物质打破了平衡,使巨型低密度星子云局部集结为高密度的星子云,其增大的引力又会吸引周围的低密度的星子云;密度高的星子云也可能会发生引力塌缩,也可能会碰撞合并;如此这般;便形成了大质量高密度的星体。星体的大质量和高密度产生内部的高压力,从而点燃了氢的核聚变，于是,星体发光了,恒星形成了。恒星质量大小决定了核聚变发展的层次，因此恒星成长和衰亡过程就是核聚变过程，恒星的演化结果主要由恒星质量大小来决定。

1. 低质量恒星演化为红矮星

质量大于0.08低于0.5个太阳的恒星，其内部的压力能够产生氢聚合为氦的核聚变，恒星会发光。核聚变过程中,其内核不断缩小，外壳不断膨胀，当氢聚合结束时，就留下一个氦核，由于没有新的能量产生, 星体内部的温度会降低，外壳会塌缩；但由于外壳的质量不大，其塌缩过程不能让氦核产生足够的温度和压力，从而不会发生氦核的进一步的聚合反应。

这种低质量恒星内部的氢元素核聚变的速度缓慢，其温度较低，发光较暗淡, 所以称之为红矮星，它是质量最小的一类恒星。我们的银河系(也许所有星系都是如此)中70%以上 的恒星都是红矮星。红矮星发光不强且距离我们遥远,所以仅凭肉眼是看不见的,要借助于天文望远镜才能看到。红矮星的寿命长，可多达数百亿年。红矮星也有自己的星系，就像我们的太阳系一样，也有不少星体绕着红矮星旋转，在这些星体中是否有些星体具有生命存在的条件呢，例如某个子星和红矮星的距离适当,该子星就具有适应生命存在的温度，还有辐射强度，大气层的厚度，氧气和水，都是生命存在的条件。可喜的是，天文学家们最近真的发现了几个类似地球那样的适合生命存在的星体，可惜的是，他们距离我们太遥远了，人类就目前的手段是无法到达的。

2.中等质量的恒星演化为白矮星

具有0.6到3.4太阳质量的恒星算是中等质量的恒星,其内部同样进行着氢的聚合反应,由于体积大所以反应温度高发光强度大，在此过程中核心缩小，外壳膨胀，而且会膨胀得越来越大，人们称这种表现的恒星为红巨星。当氢全部聚合为氦时,红巨星的外壳同样会塌缩,但由于外壳质量大,其塌缩过程能产生足够的温度和压力,从而产生将氦聚变成碳的核反应。当内核质量小于1.4个太阳时，氦聚变产生了更高的温度并向外喷发，造成外壳的爆炸。其外壳的爆炸可能使得外壳获得足够的动能脱离恒星，成为行星状星云。这样，氦核便失去了进一步聚合反应的条件，氦核会逐渐冷却，成为小而致密的白矮星。白矮星的直径只有几千千米，大小和地球差不多。

白矮星是相对稳定的。白矮星在漫长的岁月中释放出剩余的能量，逐渐暗淡下去,最终成为黑矮星。

太阳就是这种中等质量的恒星,其演化路线一定先是变为红巨星再变为白矮星。太阳现在还处在氢的聚合反应期,将来其外壳还会膨胀得越来越大而成为红巨星，太阳大约只能支持地球生命15亿年，因为太阳当膨胀为红巨星时，会把地球融化并吞噬,约50亿年后太阳将变为一颗白矮星。

3.大质量恒星将演化为新星和超新星

超出5倍太阳质量的恒星算是大质量的恒星。由于内部的氢聚变为氦,巨大的能量使其外壳膨胀得更大,成为红超巨星之后，其大质量外壳的塌缩会触发一系列聚变反应。 这些聚变反应会生成越来越重的元素，而且聚变会指向元素周期表的下层，直到硅开始聚合成铁。（附带一句，铁元素是核聚变的最后一个产物，元素周期表中排在铁后面的元素都是恒星爆炸的产物,而不是核聚变的产物。）

这种大质量的恒星的核聚变在形成铁之前，核聚变能产生足够的能量，支撑着庞大的外壳,大质量外壳的坍塌又会引发下一轮聚变反应。但是当全部聚合为铁元素后,内核不再产生能量,铁外壳再也没有力量被支撑,在强大引力作用下会以极快的速度坍缩，坍塌速度以及坍塌所产生的压力还是由恒星大小来决定。稍小一点的恒星崩塌为新星,稍大一点的恒星崩塌为超新星.

铁外壳的快速坍塌使核心被加热且遭受很大的压力，从而产生大量的中子和中微子，于是由内向外传递能量可能会引发超新星的爆炸。且发出巨大的亮光，光强度会是太阳的几百到几千倍。

4.足够大的恒星会演化为黑洞

如果恒星质量超出8倍太阳,其内部的核聚变一直聚变为铁元素,其后外壳塌缩，如果塌缩的燃余物质接近3 个太阳质量,外壳塌缩的压力,会把电子压入原子核，质子结合成为中子,从而恒星变成为一团密集的中子组成的中子星。中子星包含的物质必定小于3个太阳的质量，直径约为1-20公里左右，中子星的 密度一般是每立方厘米6亿吨。

如果恒星质量更大（有些星系甚至包含40—50个太阳质量的物质），这类恒星的核聚合的遗骸很有可能大于3个太阳质量，在这种情况下，其外壳的塌缩将产生非常非常强大的压力，会把遗骸压得更小,密度更大,引力也变得无比的大，即便是光也无法射出,从而恒星变为黑洞。至于什么是黑洞，下面有一节内容专门介绍。

5.恒星演化理论总结

天文学家经过大量的对比研究，制作出了所谓的“罗赫图”，此图表现恒星从诞生到成长再到衰亡的演化过程，并从理论上给出恒星从诞生到主序星、红巨星、变星、新星 （超新星） 、致密星 （白矮星或中子星或黑洞） 的演化机制和模型。这是人类认识恒星世界奥秘的一个重大突破。也算是对恒星演化规律的定论。

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