第四章恒星：起源、結(jié)構(gòu)和演化4.1Hertzsprung-Russell(H-R圖恒星的光譜型和光度的關(guān)系圖稱為H-R圖由于光譜型與表面溫度或恒星顏色等價，所以H-R圖也指光度-顏色圖或者光度-溫度圖?？梢赃x擇一個星團或者一個星系來作H-R圖，也可選擇其他的組合來作H-R圖。大部分恒星分布在一條從左上角到右下角的對角線上。這條線稱為主星序，位于主星序上的恒星稱為主序星。右上角的恒星稱為紅巨星，它們溫度不高，但亮度很大，說明體積巨大。左下角的稱為白矮星，雖然有很高的溫度，但由于體積很小，因此亮度很小，很難觀測到。由成千上萬個恒星組成，被各成員星的引力束縛在一起的恒星集合稱為星團。星團可分為球狀星團和疏散星團。球狀星團呈球形或扁球形，是緊密的恒星集團，是比較年老的恒星集團。其包含的恒星數(shù)約為10萬顆左右。疏散星團沒有一定的形狀，是個松散集合，其成員星約為1000顆。疏散星團較為年輕。為了方便研究，我們可以作某個星團的H-R圖，由于同一個星團內(nèi)的恒星具有大致相同的初始化學組分、相同的年齡、相同的距離，但具有不同的質(zhì)量。這樣就可以了解質(zhì)量在恒星演化過程中的作用。在同一個星團內(nèi)，各成員星的演化階段不一，大部分恒星處于主序星階段，有的恒星演化到了紅巨星階段，而有的恒星可能已經(jīng)演化到了白矮星甚至中子星階段。也可能有的尚未進入主序。這取決于恒星所具有的質(zhì)量。也可以將不同星團的恒星畫在同一個H-R圖上。這些恒星具有不同的初始化學組成，不同的年齡和不同的質(zhì)量。比較不同的星團，可以看出年齡和化學組成對演化的影響。4.2恒星演化概述1.恒星演化進程概述一般認為恒星起源于星際物質(zhì)。在引力擾動作用下，星際物質(zhì)收縮成密度較大的彌漫星云，最后進一步收縮成原始恒星。原恒星在引力作用下進一步收縮，形成一個密度極大的核心，溫度越來越高，最終達到氫的點火溫度—氫聚變?yōu)楹さ臒岷朔磻_始了，恒星進入了主序星階段。恒星將在主序渡過一生最長的階段。當恒星內(nèi)部10%-20%的氫耗盡后，恒星就離開主序，向紅巨星發(fā)展。氫的聚變反應停止后，恒星在引力收縮下，核心將達到氦點火的溫度，開始氦的聚變反應。以后逐步進入碳、氧、硅等燃燒階段，最后形成洋蔥狀的結(jié)構(gòu)，中心是最穩(wěn)定的鐵核。恒星最后的命運取決于初始的質(zhì)量。由目前的觀測可知，恒星的質(zhì)量范圍大致在0.08M⊙～120M⊙。質(zhì)量小于0.08M⊙的天體，靠其自身引力不足以通過引力收縮使其中心達到熱核反應所需要的高溫，因而不發(fā)光，也就不能稱其為是恒星。質(zhì)量大于120M⊙的恒星，由于自身引力巨大，強烈收縮造成中心溫度極高，熱核反應劇烈，輻射壓力（～T4）將大大超過物質(zhì)壓，星體將急劇膨脹。當溫度下降后，核心處的熱核反應停止，壓力下降，引力又開始起主導作用，星體再次收縮。星體以極高的速度進行收縮-膨脹-收縮-膨脹的過程，最后將大部分質(zhì)量拋出，留下小質(zhì)量的恒星繼續(xù)演化。目前尚未觀測到質(zhì)量大于120M⊙的恒星。2.小質(zhì)量恒星的演化（0.08M⊙～3M⊙）對于質(zhì)量和太陽類似的小質(zhì)量恒星，當核心區(qū)域的氫耗盡后，熱核反應停止，但能量仍在繼續(xù)向外輻射，由于沒有能量補充，引力將超過內(nèi)部壓力，使核心收縮，由此引起核心處和邊界上溫度上升，使氫在靠近核心的殼層內(nèi)再次燃燒，使更多的氦進入核心。由于核心溫度尚未達到氦的點火溫度，因此氦核繼續(xù)收縮，溫度繼續(xù)升高，殼層內(nèi)氫的燃燒加快，能量向外傳播使外殼急劇膨脹，由公式L=4pR2sT4可知，恒星表面溫度下降，變成紅巨星。當核心繼續(xù)收縮使溫度升高到1億度時，氦達到點火溫度，開始氦聚變?yōu)樘己脱醯臒岷朔磻?。氦的燃燒過程非常激烈，被稱為氦閃。當核心處的氦被耗盡后，中心形成碳氧核心。在引力作用下，核心開始收縮，溫度升高使氦殼層再次點火。氦殼層的燃燒使更多的碳、氧進入核心，核心質(zhì)量增加，進一步收縮，溫度升高，氦燃燒加快，外殼進一步膨脹。對于小質(zhì)量恒星，引力收縮不足以達到碳的點火溫度，最終熱核反應將停止。輻射壓力不再能平衡引力的收縮。當核心繼續(xù)收縮，密度增加到106g/cm3時，電子的簡并壓力開始超過星體的熱壓力，最終與引力達到平衡。即成為碳氧白矮星。外殼繼續(xù)膨脹，密度越來越小，演化成行星狀星云。幾萬年后，行星狀星云將被吹散至宇宙空間，只留下孤獨的白矮星。當殘存能量散失殆盡就變成黑矮星。3.大質(zhì)量恒星的演化對于大質(zhì)量的恒星，當核心的氦耗盡后還將繼續(xù)演化。質(zhì)量大，光度也大，輻射的能量比小質(zhì)量恒星大得多，因而演化過程也要快得多。由于有足夠的質(zhì)量，氦耗盡后形成的碳氧核心將繼續(xù)收縮至碳點火溫度，發(fā)生碳閃。這個過程將一直進行到核心形成鐵球為止。鐵是最穩(wěn)定的元素，鐵的聚變是吸收能量而不是放出能量。熱核反應到鐵就停止了。沒有輻射壓力的支持，強大的引力使星體猛烈收縮。核心的密度急劇增加，電子的簡并壓已經(jīng)無法抗衡引力的坍縮。電子被壓入原子核產(chǎn)生反b衰變使核心中子化并釋放出大量的中微子。中子的簡并壓將阻止核心的進一步坍縮。強大的引力使外層物質(zhì)以極高的速度向中心坍縮，當大量物質(zhì)撞上高度致密的核心時，就象無數(shù)發(fā)炮彈撞上無比堅硬的鐵壁，反彈回來形成強大的沖擊波，攜帶巨大的能量，把整個恒星炸碎。即超新星爆發(fā)。爆發(fā)的過程很短，但釋放的能量可達1053erg。比其一生正常輻射的能量總和還要多。超新星爆發(fā)后，大部分外層物質(zhì)解體為向外膨脹擴散的氣體和塵埃云，核心留下一個高度致密的天體—中子星，其密度可達1014g/cm3。對于更高質(zhì)量的恒星，當鐵核形成后，中子的簡并壓也無法抵抗住強大的引力坍縮。這時核心的引力坍縮將一直進行下去，最后形成黑洞。4.變星每個恒星都在變化，亮度有明顯變化的恒星統(tǒng)稱為變星。有的變星雖然亮度沒有顯著變化，但其他物理性質(zhì)有明顯變化。變星的種類很多。不考慮食變星，物理變星可分為脈動變星，自轉(zhuǎn)變星，爆發(fā)變星和激變變星四大類。每個大類又可以分為幾種類型。脈動變星是星體有節(jié)奏地發(fā)生變化如徑向脈動，從而造成亮度等物理性質(zhì)發(fā)生明顯變化。其中有造父變星，芻藁型變星，天琴RR型等。自轉(zhuǎn)變星是因為星面亮度的經(jīng)度分布不對稱在自轉(zhuǎn)中發(fā)生周期性亮度變化。如橢球變星。爆發(fā)變星是由一次或多次周期性爆發(fā)引起的亮度變化，其中有金牛T型，御夫RW型，獵戶FU型，仙后γ型，鯨魚UV型（耀星），Wolf-Rayet星等。激變變星是激烈爆發(fā)的變星，主要有經(jīng)典新星，再發(fā)新星，超新星等。5.造父變星造父一是仙王座中的亮星之一。很早就發(fā)現(xiàn)這顆星的亮度有周期性的變化，極大時的亮度約為極小時的2.5倍，變化周期為5天。以后又發(fā)現(xiàn)了許多類似的變星，統(tǒng)乘為造父變星。其光變周期在1-40天之間。它們不是主序星，而是紅超巨星。恒星是通過自身引力聚集成球的，在主序階段，引力與內(nèi)壓力保持著動態(tài)平衡。在演化后期，由于出現(xiàn)氫、氦等元素依此點火而使星體發(fā)生收縮-膨脹-收縮的振蕩。當恒星內(nèi)部熱核反應停止后，則引力開始占優(yōu)勢，恒星開始收縮。物質(zhì)被壓縮后，密度增加，不透明度也增加，吸收輻射能量增加，壓力進一步增加。當溫度升高使核反應重新點火后，壓力開始超過引力，恒星開始膨脹，物質(zhì)密度減小，不透明度也減小，吸收輻射減少，壓力進一步減小。因此，輻射提供了克服摩擦的外力，使得恒星的振動基本上以無摩擦的方式進行。這也是光變周期非常準確的原因。造父變星常用來測量遙遠星團或星系的距離。4.3白矮星白矮星是質(zhì)量約為1M⊙，半徑約為5000公里，平均密度高達106g/cm3的致密天體。白矮星的內(nèi)部已經(jīng)不再有熱核反應發(fā)生?？繗埓娴哪芰柯鋮s。白矮星的典型代表是天狼星的伴星，天狼B。由光譜測量可知其有很高的表面溫度。根據(jù)Heisenberger測不準關(guān)系，粒子的位置越精確，其動量就越不確定。由于白矮星的密度很大，粒子彼此靠得很近。根據(jù)Pauli不相容原理，全同粒子不能處于同一個狀態(tài)。因此這些粒子必須具有非常不同的動量，這使得粒子有互相散開的趨勢。不相容原理相當于產(chǎn)生了一個壓力，稱之為簡并壓。當電子簡并壓與引力達到平衡時，恒星就達到一個穩(wěn)定狀態(tài)，即成為白矮星。4.4中子星白矮星是靠電子簡并壓維持平衡的。當質(zhì)量超過Chandrasekhar質(zhì)量極限時，星體將發(fā)生引力坍縮。坍縮的結(jié)果可能是黑洞，也可能是超新星爆發(fā)。脈沖星可以看成是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，進一步可以簡化為一個高速旋轉(zhuǎn)的磁偶極子，磁矩方向與自轉(zhuǎn)軸有個夾角。4.5黑洞對于質(zhì)量更大的恒星，沒有什么力能抗衡強大的引力收縮，星體最終將坍縮為黑洞。按照廣義相對論，光線并不沿直線前進，而是沿測地線。測地線的形狀與空間曲率有關(guān)，而曲率又決定于引力場強度?？梢哉f，引力場越強，則光線就彎曲得越厲害。如果引力場足夠強，以至光線無法跑出視界，因而視界內(nèi)的任何信息都無法通過視界傳遞到視界之外。這樣，視界外的觀測者就無法看到這個天體，所以，這是一個“黑”的天體，即黑洞。當太陽的所有物質(zhì)被壓縮在半徑為2.95公里的球內(nèi)時，太陽就成為一個黑洞。對于M～M⊙的黑洞，溫度是非常低的，甚至比宇宙背景輻射溫度都要低得多。因此它的吸收要比輻射大得多。如果宇宙一直膨脹下去，則背景溫度終會下降到黑洞溫度以下，這時黑洞就開始輻射能量。因為溫度很低，黑洞蒸發(fā)的速度極為緩慢。如果是小黑洞（質(zhì)量遠小于太陽質(zhì)量）則蒸發(fā)速度會快得多。也就是說，黑洞開始蒸發(fā)得很慢，但在緩慢加速。越到后來越快。一個太陽質(zhì)量的黑洞需要1066年才能蒸發(fā)完。一個質(zhì)子大小的黑洞（質(zhì)量約10億噸）只要100億年就可以完全蒸發(fā)。黑洞雖然不能被直接觀測，但可以通過黑洞周圍的引力場來間接地探測。如果有一個雙星系統(tǒng)，其中只能看到一個子星，而另一個看不見的子星質(zhì)量超過三倍太陽質(zhì)量以上，則很可能是一個黑洞。由于黑洞的引力場很強，它會將附近的物質(zhì)吸入黑洞（稱為吸積），而物質(zhì)在向黑洞墜落時，由于作加速運動而放出X射線。因此，強X射線源很可能是個黑洞。前面所討論的是由一顆大質(zhì)量恒星坍縮而成的恒星級黑洞。這樣的黑洞一般質(zhì)量為幾個M⊙，視界半徑為幾公里。理論上，還可以有質(zhì)量大到幾十億個M⊙，視界尺度達到整個太陽系甚至更大尺度的巨型黑洞以及質(zhì)量為10億噸，視界半徑只有質(zhì)子大（10-15米）的微型黑洞。微型黑洞可能是宇宙創(chuàng)生時誕生的。小黑洞可能會合并成大黑洞甚至巨型黑洞。γ射線暴（GRB）從20世紀60年代開始，陸續(xù)觀測到了來自宇宙空間的γ射線暴，持續(xù)時間極短。但爆發(fā)的能量極高，甚至超過星系的幾十億倍。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)2000多個γ射線暴源，分布基本上是均勻的，絕大部分都在銀河系之外。如果銀河系發(fā)生γ射線暴，將會對地球造成重大影響。γ射線暴的來源和性質(zhì)