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1、恒星的形成与演化一、恒星的形成恒星是茫茫宇宙中除太阳、月亮和少数行星之外最引人注目的天体早在上古时代，人们就对恒星充满了好奇与幻想，中外都流行着非常动人的神话传说然而，直到望远镜出现后， 人们才对恒星有了最基本的认识，了解到恒星在天空中并不是恒定不变的到了2 0世纪初， 爱因斯坦发表了著名的质能关系，人们对原子核反应所产生的巨大能量逐步认识，知道了恒星能量的来源，才渐渐认识到恒星本身也有生命周期，它们像人一样会出生、生长、老去直至死亡然而，恒星的出生在相当长的时间里还是个谜，直到2 0世纪6 0年代，天文学家在星际空间发现了分子气体，以及嵌埋其中的低温原恒星( p r o t o s t a
2、r) ，才对恒星的出生场所及过程有了最初步的了解经过 4 0年的研究，天文学家对恒星的出生过程有了相当充分的理解，特别对小质量恒星而言更是如此现在已经很清楚，恒星是在以分子气体为主的星际分子云中生成的，由于分子云自身的引力作用，开始自身的塌缩并形成所谓的年轻星天体( y o u n g s t e l l a r o b j e c t s ) ，这些年轻星天体经过快速演化最终形成恒星为了对恒星进行分类，天文学家将小于太阳质量 3倍的恒星称为小质量星，3 8倍的称为中等质量星，而大于8倍太阳质量的则称为大质量星这一分类并不仅仅是表象的不同，事实上它代表了不同类型的恒星形成时不同的物理过程(一)
3、小质量恒星形成的理论与观测一般认为，恒星是通过分子云核( mo l e c u l a r c o r e )的塌缩而形成的在银河系内，存在一类由分子气体组成的天体，由于它们呈弥散的云雾状形态，因此被称为分子云( mo l e c u l a r c l o u d )，其总质量约占银河系可视物质质量的1，其温度很低，大约为1 0 K 分子云在星际空间缓慢演化，在某些局部形成密度相对较高的区域，被称为分子云核随着分子云核的进一步演化，其内部的热运动压力不能再抵御自身的引力，便开始了所谓引力塌缩， 最终形成恒星根据研究，从分子云核演化成一颗恒星经过了以下4个阶段：( 1 )云核阶段：分子云核内气
4、体运动压力、磁压、引力及外部压力处于基本平衡状态，云核缓慢收缩，温度开始缓慢上升，形成热分子云核；( 2 )主塌缩阶段：当分子云核的内部压力不能抵抗自身引力时，就开始了塌缩由于云核中心密度较高，塌缩区域最初位于中心，并以当地声速向外扩张，这就构成“ 先内后外”的塌缩( i n s i d eo u t c o 1 1 a p s e )塌缩形成一个致密的核心，巨大的引力能使中心温度迅速升高由于云核的自转，外部物质不会直接落到核心，而是在核心周围形成一个致密的盘状结构，称为吸积盘( a c c r e t i o n d i s k )；( 3 )主吸积阶段：由于角动量及磁通量守恒原理，最终成为
5、恒星组成部分的物质并不能直接落到中心星上，而是落在吸积盘上，吸积盘通过一系列复杂的过程，将多余的角动量向外传递，使中心星的质量得以继续增加，因此，吸积盘在恒星形成活动中起了至关重要的作用在此期间，为了释放角动量，系统还通过目前尚不可知的机制向两极方向抛射物质，形成质量外流(outflow)恒星的大部分质量都是通过吸积获得的，巨大的引力能使中心星的温度急剧上升，从而点燃了星中心区域的氘( 4 )残余物质驱散阶段：质量外流在这一阶段继续存在，外流与星风的作用使恒星形成的残余物质远离中心星，星周物质以及盘物质变得稀薄，外流的开口张角渐渐变大中心星仍然从盘中吸积物质但其速率已经很小，中心星的质量不会再
6、有实质性的增长，更多的是准静态收缩中心星的核心部分这时可能已经开始了氢燃烧，外部出现了对流层当这一阶段结束时，我们就可以在宇宙空间看见一颗性质不同的恒星，被称为主序星以上4个阶段为小质量恒星形成理论所预言而在观测上都得到了证实在观测上，天文学家利用不同波段的观测发现了4类年轻星天体，其能谱特征基本符合上述4个阶段他们还发现了围绕小质量年轻星天体的吸积盘，以及伴随恒星形成活动的质量外流质量外流在电磁波的各个波段都有表现，如射电波段的分子外流及喷流，红外波段的喷流，以及光学波段的赫比格一哈罗天体( H e b i gH a r o o b j e c t )光学和红外光谱观测还发现了年轻星天体的质
7、量吸积特征，有几项射电波段的观测声称找到了分子云核的塌缩特征，虽然这些观测还需要进一步的证实总之，虽然在一些细节上还有待证实，小质量星的形成之迷已经为天文学家所揭示，由此发展的小质量星形成理论被认为是正确的(二)大质量星形成理论与观测大质量星能否像小质量星那样，通过塌缩和吸积而成?这是一个很自然的想法但在经典的理论模型计算中，如果使用与小质量星相同的模型参数则当年轻星的质量大于太阳的10倍时，它所释放的光子光压足以抵御自身的引力，使得吸积盘中的物质所受的净力方向向外， 从而停止吸积过程，中心星的质量不再继续增加这意味着恒星的最大质量为1 0倍太阳质量，但这与实际情形是明显不符的，因为已经观测到
8、100倍太阳质量的恒星当然，在不改变基本假设的情况下也有解决这一困难的方法例如，理论天体物理学家提出， 减小星周物质的不透明度，可以使它们所受到的光压减小，理论上，这种假设可以使恒星的最大质量达到太阳质量的40倍另外，考虑到外流的存在，如果大量光子从年轻星的两极溢出(因为两极的物质相对稀薄)，能有效地释放光压最新的理论研究表明，如果光子从外流所形成的空腔中逃逸，可以使恒星最大质量达到60倍太阳质量，甚至更大为解决大质量星的光压使吸积停止这一困难，有人提出了另一种思路，即并合说这种假说是基于大质量星总是与其他小质量星成团出现的观测事实并合说主张，在最初阶段，通过分子云核的塌缩，形成一团小质量年轻
9、星天体，这些天体经过一段时间的动力学演化，越来越接近，最后发生碰撞并合并在一起，形成大质量星这一理论同样存在一些弱点首先， 目前观测到的恒星形成区的年龄一般在10e6至10e7年之间， 这意味着，大质量星必须在这段时间内形成，要使小质量星团在如此短的时间里发生碰撞合并，需要非常高的星团密度， 计算表明，这一密度必须大于每立方光年10e6. 颗年轻星然而，目前观测到的最大星团密度约为每立方光年10e3颗，比所需的数值小了3个量级其次，年轻星发生并合时，能释放巨大的引力能，其光度将会增加几个量级，不亚于一颗超新星的爆发，同时还可能伴随高能的活动现象，如射线暴及x射线暴，上述现象在目前为止的观测中未
10、得到证实至此，理论天体物理学家提供了两种不同的大质量星形成的模式，即吸积说(像小质量星形成一样)与并合说解决争论的唯一途径是通过观测，但由于目前的观测条件所限，我们不能直接看见发生在大质量星附近的事件，只能通过观测大质量周围的现象推测理论的正确性回忆小质量星形成的理论，可知吸积学说预言恒星形成时存在双极质量外流以及吸积盘另一方面，并合说指出，由于年轻星碰撞合并等剧烈的动力学过程，星周盘将在这一过程中被瓦解；并合时可能引发物质的向外喷射，与外流有些相似，但一般不会出现高准直的双极型形态.二、恒星的演化1.引力收缩阶段恒星最初诞生于太空中的星际尘埃，科学家形象地称之为“星云”或者“星际云”，其主要
11、成分由氢组成，密度极小，但体积和质量巨大。密度足够大的星云在自身引力作用下，不断收缩、温度升高，当温度达到1000万度时其内部发生热核聚变反应，核聚变的结果是把四个氢原子核结合成一个氦原子核，并释放出大量的原子能，形成辐射压，当压力增高到足以和自身收缩的引力抗衡时，一颗恒星诞生了。2.主序星阶段恒星以内部氢氦聚变为主要能源的发展阶段就是恒星的主序阶段，这是恒星的“青年时代”，是恒星一生中最长的黄金阶段占据了它整个寿命的90。这段时间，恒星相对稳定，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀，并且以几乎不变的恒定光度(所谓“光度”，就是指从恒星表面以光的形式辐射出的功率)发光发
12、热，照亮周围的宇宙空间。不同的恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多。质量越大，光度越大， 能量消耗也越快，停留在主序阶段的时间就越短如质量等于太阳质量的15倍、5倍、1倍、 0.2倍的恒星，处于主序阶段的时间分别为一千万年、七千万年、一百亿年和一万亿年。3.红巨星阶段 当一颗恒星度过它漫长的青壮年期(主序星阶段)，步入“老年期”时，它将首先变为一颗红巨星。由于热核反应中氢的燃烧消耗极快，中心形成氦核并且不断增大。随着时间的延长， 氦核周围的氢越来越少，中心核产生的能量已经不足以维持其辐射压，于是平衡被打破，引力占了上风。有着氦核和氢外壳的恒星在引力作用下收缩，氢的燃烧则向氦核周围的
13、一个壳层里推进。这以后恒星演化的过程是：内核收缩、外壳膨胀燃烧壳层内部的氦核向内收缩并变热， 而恒星外壳则向外膨胀并不断变冷，表面温度大大降低，这个过程仅仅持续数十万年，这颗恒星在迅速膨胀中变为红巨星。由于体积将膨胀到十亿倍之多，十分巨大，所以称它为“巨星”；在恒星迅速膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，质量易于抛失，温度越来越低，发出的光也就越来越偏红，所以称之为“红” 巨星，但由于体积巨大，它的光度也变得很大，极为明亮。肉眼看到的最亮的星中，许多都是红巨星。4.爆发阶段红巨星阶段后，恒星进入“晚年”。此时的恒星是很不稳定的总有一天它会猛烈地爆发。到那时，整个恒星将以一次极为壮观的爆炸来了
14、结自己的生命，把自己的大部分物质抛射向太空中，重新变为星云，同时释放出巨大的能量。这样，在短短几天内，它的光度有可能将增加几十万倍，这样的星叫“新星”。如果恒星的爆发再猛烈些，它的光度增加甚至能超过10 0 0万倍以至万万倍，这样的恒星叫做“ 超新星” 。这就是天文学中著名的“ 超新星爆发”。超新星爆发的激烈程度是让人难以置信的。它在几天内倾泄的能量，就像一颗青年恒星在几亿年里所辐射的那样多，以致它看上去就像整个星系那样明亮!新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。它是老年恒星辉煌的葬礼，同时又是新生恒星诞生的推动者。超新星的爆发可能会引发附近星云中无数颗恒星的诞生。另一方面，新星和超新星爆
15、发的灰烬，也是形成别的天体的重要材料。如今天地球上的许多物质元素就来自那些早已消失的恒星。5.高密度阶段经过爆发后， 超新星只留下一个高密度残骸，而不再是一颗恒星了，中心留下的高密度天体，也许是白矮星，也许是中子星，甚至可能是黑洞。质量在1-3倍太阳质量以下的恒星，在离开主星序带后便无剧烈变动地失去足够的质量，相对平和地结束生命而变成一颗白矮星。白矮星的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。质量中等( 3倍太阳质量) 的恒星将会以超新星爆发的方式结束自己的生命。爆炸后几秒内， 核心开始塌缩，最终塌缩成致密的中子星。中子星体积更小，但质量、温度、压力、密度都远远大于白矮星，中子星的密度为10e11
16、kg/cme3，也就是每立方厘米的质量竞为一亿吨之巨! 半径十千米的中子星的质量就与太阳的质量相当了.中子星还有极强的磁场，并且不向宇宙空间发出电磁脉冲信号。快速旋转的中子星射电脉冲的周期性非常有规律，这样的中子星又被叫做脉冲星。脉冲星的发现，被称为20世纪60年代的四大天文学重要发现之一。中子星的质量并不是无限大的，如果在超新星爆发后核心剩余物质还超过大约3倍太阳质量，其中心部分就会继续收缩，最后这团物质收缩到很小的时候，在它附近的引力就大到足以使运动最快的光也无法摆脱它的束缚，这个天体不可能向外界发出任何信息，它本身不发光并吞下包括辐射在内的一切物质，就象一个漆黑的无底洞，所以这种特殊的天体就被称为黑洞。黑洞有很多奇特的性质，对黑洞的研究在当代天文学及物理学中有重大的意义。就这样，恒星来之于星云，又归之于星云
