恒星

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肉眼看到的天上的星星，全天有6000多颗，除了太阳系内的五大行星和流星、彗星之外，都是恒星。它们之所以被称为“恒星”，是由于它们相互之间的相对位置，在很长的时间内，用肉眼看不到有什么改变。其实，它们也都在运动，只是由于离开我们非常非常遥远，用肉眼觉察不到就是了。除了哪些已经死亡的恒星，恒星都是气体球，没有固态的表面，气体依靠自身的引力，聚集成球体。恒星区别于行星的一个最重要的性质是它们像太阳一样自己依靠核反应产生能量，而在相当长的时间内稳定地发光。太阳也是一颗恒星。其他的恒星，也是因为离开我们非常非常遥远，看上去才只是一个闪烁的亮点。除了太阳以外，离开我们最近的恒星，与太阳相比，距离也要远27万倍。

恒星的亮度差别很大。事实上，绝大多数恒星，由于太暗，我们的肉眼看不到。仅仅在我们的银河系中，就有多达以千亿计的恒星。为了表示恒星的亮度，在公元前2世纪，希腊天文学家依巴谷就把肉眼能见的星星分成6个等级，最亮的星为1等，最暗的星为6等。这种星等划分，在十九世纪，在数学上被严格化，即确定1等星比6等星亮100倍。同时，利用这一数学关系，把比1等星更亮的天体定为0等、-1等、……，而把比六等星更暗的天体定为7等、8等、……。例如，太阳的星等为 -27等，满月时的月球为 -13等。现在，天文学家用集光能力最大的天文望远镜观测到的最暗的天体，已经暗于25等，它们比一支离开观测者63千米的蜡烛光还暗。
  
恒星的星等相差很大，这里面固然有恒星本身发光强弱的原因，但是离开我们距离的远近也起着显著的作用。较近恒星离开我们的距离可以用三角方法来测量，在十六世纪哥白尼公布了他的日心说以后，许多天文学家试图测定恒星的距离，但都由于它们的数值很小以及当时的观测精度不高而没有成功。直到十九世纪三十年代后半期，才取得成功。照相术在天文学中的应用使恒星距离的观测方法变得简便，而且精度大大提高。自二十世纪二十年代以后，许多天文学家开展这方面的工作，到二十世纪九十年代初，已有8000多颗恒星的距离被用照相方法测定。在二十世纪九十年代中期，依靠“依巴谷”卫星进行的空间天体测量获得成功，在大约三年的时间里，以非常高的准确度测定了10万颗恒星的距离。

    恒星的距离，若用千米表示，数字实在太大，为使用方便，通常采用光年作为单位。1光年是光在一年中通过的距离。真空中的光速是每秒30万千米，乘一年的秒数，得到1光年约等于10万亿公里。离开我们最近的恒星是半人马星座的南门二星，距离为4.3光年。

恒星的大小相差较大。以直径相比，由太阳的几百甚至一、二千倍直到不及太阳的十分之一。一些死亡的恒星更小，只有地球般大小，甚至几十千米直径。相对来说，恒星的质量差距要小得多，由太阳质量的120倍或更大一些，直到约0.1倍太阳质量。由此可知，大直径的恒星与小直径的恒星物质平均密度相差很大。

    恒星的颜色，对于一些较亮的恒星，很容易分辨，有的偏红，有的偏蓝。较暗的恒星颜色差别一样存在，只是我们的眼睛不易分辨。恒星不同的颜色，表明了不同的表面温度。蓝色的恒星，表面温度高，可达3、4万摄氏度，而红色的恒星，表面温度要相对低很多，只有2、3千度。

    恒星的发光强度，称为光度，也有很大差别。与太阳相比，光度最大的恒星，可达太阳光度的1百万倍；而光度最小的恒星，约只有太阳光度的1百万分之一。在天文学中，把光度大的恒星，称为巨星；光度小的恒星，称为矮星。光度比通常的巨星还要大的恒星，则称为超巨星。

    这里我们以有名的织女星作为例子。它的星等为0，距离26光年，颜色为淡蓝白色，表面温度约1万摄氏度，质量是太阳的3倍多，半径是太阳的2.6倍，平均密度只有太阳的0.19倍，光度是太阳的40倍。

世间万物无不都在运动，恒星也一样。由于不同恒星运动的速度和方向不一样，它们在天空中相互之间的相对位置就会发生变化，这种变化称为恒星的自行。全天恒星之中，包括那些肉眼看不见的很暗的恒星在内，自行最快的是巴纳德星，达到每年10.31角秒（1角秒是圆周上1度的3600分之一）。一般的恒星，自行要小得多，绝大多数小于1角秒。

    恒星自行的大小并不能反映恒星真是运动速度的大小。同样的运动速度，距离远就看上去很慢，而距离近则看上去很快。因为巴纳德星离开我们很近，不到6光年（参看恒星的距离），所以真实的运动速度不过每秒88千米。

    恒星的自行只反映了恒星在垂直于我们视线方向的运动，称为切向速度。恒星在沿我们视线方向也在运动，这一运动速度称为视向速度。巴纳德星的视向速度是每秒 - 108千米。其中，负的视向速度表示向我们接近，而正的视向速度表示离我们而去。恒星在空间的有的速度，应是切向速度和视向速度的合成速度，对于巴纳德星，等于每秒139千米。

    上述恒星的空间运动，由三个部分组成。第一是恒星绕银河系中心的圆周运动，这是银河系自转的反映。第二是太阳参与银河系自转运动的反映。在扣除这两种运动的反映之后，才真正是恒星本身的运动，称为恒星的本动。
  
1844年，德国天文学家贝塞耳在对全天最亮的恒星天狼星进行测量时，发现它的移动路径是波浪型的。他推断天狼星必定有一颗伴星（参看双星）。1862年，美国人克拉克用他自制的当时最大的天文望远镜看到了这颗伴星。于是，把原来的天狼星称为天狼A，而把这颗伴星称为天狼B。

    天狼B的光度（参看恒星的物理特征）只有天狼A的万分之一，但是表面温度却达到26000摄氏度。观测计算表明，它的质量跟太阳差不多，体积却只有地球的一半。因此，它的平均物质密度，达每立方厘米3.8吨！后来，就把这种由超密物质组成的恒星叫做白矮星。

    白矮星内部的核反应已经停止，所以实际上是死亡的恒星。它们在银河系内并不罕见。由于失去了核反应的巨大能量产生的辐射压力，其中的物质在内部引力作用下进一步收缩，依靠引力能转化为热能而继续发光。在白矮星内部的物质，原子外层的电子被剥离为自由电子，原子核之间的距离大为缩小，所以可以达到极高的密度。

    质量比太阳更大的恒星，在死亡后，物质之间的引力更大，其致密的程度，可使原子中外层的电子和核内的质子发生反应，变成中子。因为中子不带电荷，相互之间距离更加缩小，成为中子星。中子星的大小只有几十千米，其中物质的密度可达每立方厘米1亿吨！  
（一） 恒星的诞生地
图1是银河系之外一个遥远而美丽的星系，代号M100，我们的银河系与此十分相似，都是由千亿颗恒星组成的庞大天体集团。图中可以清楚地看到整个星系象一个扁平的盘子－星系盘，盘中缠绕着几条光亮的"臂"，称为旋臂。
在旋臂和旋臂之间，是一些暗弱的区域，科学分析表明，这里大多是炽热而高度电离的气体，其中气体压力很大，可以抵制气体在引力作用下的收缩倾向，所以这些区域不易形成恒星。而在旋臂中，气体的密度较大，离子、原子和尘埃颗粒之间的碰撞相当频繁，能有效地使气体"冷却"，并产生氢分子构成的气体云团―分子云。分子云的温度较低，通常仅为绝对温度10度左右，每一个云的质量大约相当于太阳的1000到10000倍。正是这些分子云的进一步碎裂和坍缩导致一群一群原始恒星的诞生。


作为原始恒星诞生地的星际云团，最有名的当属猎户星座中间"三星"下方称为"宝剑"处的一团云雾，这便是著名的"猎户大星云"，


下图所示的"鹰状星云"M16则是另一个著名的恒星诞生地。


二） 恒星的诞生－星卵
作为恒星诞生地的星际气体云团十分稀薄而且温度极低，云团中与引力相抗衡的气体压力很弱，引力的作用使得云团缓慢地收缩。
超新星爆炸产生的冲击波或云团周围一些亮星向外喷射的高热气流（称为"星风"）都会使云团中出现不均匀的密度分布，造成云团中出现多个密度中心，这些密度中心周围的气体分别向这些中心收缩，形成一个个小云团。收缩过程中，小云团中心温度升高，旋转加快，密度越来越大，演变成中心有核，周围由盘状物质包围的形状，云团的表面温度一般为绝对温度2000－3000度，质量与太阳相仿，只发出红外辐射，不发射可见光，所以还只是恒星的胚胎，或形象地称之为"星卵"。
不同大小的云团演化快慢大不一样，象太阳这样典型大小的恒星，其处于星卵的状态的大约要维持100万年，在此期间云团继续复杂的收缩过程，中心温度则持续升高，一直到超过100万度，在这种极高的温度下将出现由氢原子核变成氦原子核的"核聚变"反应，这是恒星的根本特征，星球只有到了能由核聚变反应而释放能量，才算是真正进入了"成年恒星"的阶段，也只有此时才真正变得灿烂夺目。此时的恒星中心密度和温度都很高，巨大的气体压力足以抵抗引力收缩，所以恒星也不再继续收缩了，恒星的性质变得十分稳定，就象我们的太阳一样，恒星一生中90％以上的时间都处于这一阶段。

（三） 恒星的壮年－从主序星到红巨星
恒星发光发热的源泉是由氢原子核转变为氦原子核的核聚变反应，维持核反应的阶段就是恒星的壮年期，天文学上称为"主序星"阶段。质量不同的恒星维持核反应的时间大不一样，大质量恒星的核心温度更高，核反应消耗氢的速度比小质量恒星快得多，因此其生命历程相对来说要短得多，比如象10个太阳质量那样大的恒星只能维持一千万年左右的生命，而太阳却能维持100亿年。
太阳这样大小的恒星是宇宙中最为典型的，它们生命中80％－90％的时间都处在稳定的主序阶段，当中心的氢逐渐燃烧完后，一颗恒星的生命就接近尾声了。此时星体核心会迅速收缩，相反地，外层的氢却开始燃烧并迅速膨胀，这是恒星生命中一个十分有趣的阶段，星体的体积大大增加，比如太阳这样的恒星会膨胀数百倍，膨胀的结果导致恒星表面温度下降，颜色变红，同时其表面亮度却会大大增强，天文学上习惯于将光度（即恒星的本质亮度）大的天体称为"巨星"，因此这一阶段的恒星的典型特征就是"红巨星"
相对而言，"红巨星"阶段是很短暂的，此后由于核心的收缩导致温度进一步升高而引发氦原子核聚变为碳原子核的反应以及此后一系列更为复杂的核聚变反应，恒星快速地走向死亡。

(四） 恒星走向死亡
恒星走向死亡的途径因其质量的不同而有很大的不同，象太阳这种中等质量的星体其死亡是比较"温和"的，在红巨星阶段之后，恒星的外壳一直向外膨胀，核心则持续收缩，发出紫外光或X射线，高能射线激发外层气体发出荧光，形成美丽的行星状星云（图5）。外壳气体逐渐消散在星际空间，成为下一代恒星的原料，而中心部分在收缩到一定程度后，停止了一切核反应过程，变成一颗冷却了的、密度却极大的白矮星，其中1个方糖大小的物质，重量可与一辆卡车相当。
质量较大的恒星走向死亡的途径往往是十分壮烈的，通常质量大于太阳8倍以上的星球，不会平静地演化为白矮星，而是引发一场震天动地的大爆炸，星体的亮度突然增亮几十倍甚至几百倍，这就是所谓的超新星爆发，星体粉身碎骨，核心遗留下来两种特殊形态的天体－中子星或黑洞。中子星的质量和太阳差不多，但半径只有10公里左右，可见其密度更比白矮星高得多了。超新星爆炸后，如果残留的核心质量仍较大，则会形成密度更为惊人的黑洞，任何物质甚至连光线都无法逃脱它强大的引力场，我们无法直接看到它，这也正是其名为"黑"的由来。

（五） 恒星的"生死循环"  
正如动、植物的死亡将成为下一代生命的原料一样，恒星的死亡也都有一个共同的特征，即将其本体中的大量物质抛射到星际空间中，这些物质逐渐弥漫在宇宙空间中，以气体或尘埃的形式成为新一代恒星的原材料。同时正是在恒星的演化过程中通过核聚变形成了许多构成生命所必需的重元素，这些重元素在恒星死亡后弥散在宇宙空间中，才有可能导致象人这种生命的诞生。

恒星演化示意图


（赫罗图）是表示恒星温度或颜色与光度之间关系的图。炽热明亮的蓝巨星位于左上方，而比较冷且暗的红矮星分布在图的右下角。大多数恒星，包括太阳都在从左上至右下的一条对角线上，这条对角线被称为主星序，主星序上的恒星称为主序星，都处于一生中的氢燃烧阶段。当恒星核的氢烧完后，它们就离开主序，开始氦燃烧而成为红巨星。最终红巨星坍缩，温度上升，成为白矮星。根据恒星的温度或颜色可把恒星分成以字母O、B、A、F、G、K、M表示的七种类型。O型是热的蓝星，M型是较冷的红星。


[ 本帖最后由 adyu 于 2008-7-18 21:00 编辑 ]

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