恆星的誕生演變及歸宿

當我們仰望天空時,最耀眼的莫過於太陽,東昇西落的太陽給人的感覺就是穩定可靠,源源不斷的為地球輸出能量。其實作為一顆恆星,太陽同其它的恆星一樣,甚至同人類的命運一樣,並不是一成不變的而是有生命的,從誕生之初,它就發生著一系列的變化,只不過是它的這一過程需要以上億甚至上千億年來量度。那麼像太陽那些恆星是如何從宇宙中誕生的呢?有會發生什麼樣的演變呢?它們的最終歸宿又是什麼呢?接下來讓我們慢慢道來。

恆星的誕生演變及歸宿

想要弄清楚以上的問題,我們需要先了解宇宙是怎麼誕生的,那麼我們的宇宙是怎麼誕生的?普遍被人接受也最令人信服的理論是宇宙大爆炸理論,也就是說在這之前,沒有空間,沒有時間,沒有物質,什麼都沒有,只有虛無。突然有一瞬間,在這虛無之中產生了一個體積無限小,密度無限大,溫度無限高,時空曲率無限大的點(也可以理解為時空蜷縮到零維沒有展開),稱為奇點。由於奇點的以上特徵,在產生的同時也意味著很難穩定的存在,因為能量太太太大了,所以奇點的誕生之時也是其爆炸之時。從奇點爆炸那一瞬間開始,蜷縮的時空展開了,才算有了時間,大爆炸所覆蓋到的範圍稱之為空間。爆炸之初,約大爆炸後0.01秒,由於溫度極高,有1000億度,物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態在。隨著宇宙爆炸之後的不斷膨脹,導致溫度和密度很快下降。大爆炸後10秒後,溫度降到約30億度,此時,氫、氦穩定原子核形成,這個溫度還是太高不足以使原子束縛核外電子,因此還無法形成原子。這個時期,宇宙中只充斥著這些原子核及還不能與原子核結合的遊離的電子及各種電磁波。直到大爆炸後的30萬年溫度降到3000度,溫度不再能夠拆散原子核和電子的結合,氫原子和氦原子得以形成,這些原子再進一步形成氣態和塵埃,此時,星雲誕生。

恆星的誕生演變及歸宿

星雲中的一小塊氫氣受熱後開始升溫,進而引起星雲中的其他物質開始發熱、升溫併發光。塵埃和氣體在萬有引力的作用下開始聚集,形成巨大的漩渦。在聚集並壓縮體積的過程中,由於外界對其做功,根據熱力學第一定律,被壓縮的氣體溫度會升高。經過數十萬年,星雲的密度會不斷增大,並會形成盤狀漩渦,直徑超過太陽系。而位於中心的氣體,在重力的不斷擠壓下,形成具有超高密度和溫度的球體。隨著壓力不斷增大,由於旋渦物質具有的角動量,導致巨大的氣柱從中心噴射而出,噴射氣柱直徑達幾光年,它可以使物質加速,穿越無法想象的距離。而核心的部分,就是年輕的恆星。引力作用持續而強烈,氣體和灰塵顆粒被不斷吸入,並相互擠壓,產生了越來越多的熱量。噴射氣柱未來幾十萬年的時間裡,年輕的恆星經擠壓將變得更亮更熱,溫度會達到1500萬攝氏度。

隨著溫度和壓力的變大,氫核外電子擺脫原子核的束縛,兩個氫原子核能夠互相吸引而碰撞到一起,發生原子核互相聚合作用,生成新的質量更重的原子核(如氦),中子雖然質量比較大,但是由於中子不帶電,因此也能夠在這個碰撞過程中逃離原子核的束縛而釋放出來,大量電子和中子的釋放所表現出來的就是巨大的能量釋放。這就是核聚變,氫彈就是這種原理,經過這些聚變反應,產物會通過相互作用與氣體、塵埃等形成更加清晰的球體,一顆恆星就這樣誕生了。

恆星的誕生演變及歸宿

這時氫核聚變成氦,恆星開始自行發光。核心的核聚變會產生足夠的能量停止引力坍縮,達到一個靜態平衡。恆星從此進入一個相對穩定的階段。如果恆星附近仍有殘留巨分子云碎片,那麼這些碎片可能會在一個更小的尺度上繼續坍縮,成為行星、小行星和彗星等行星際天體。我們太陽系的行星包括我們的地球就是這麼來的。

恆星的下個時期是成年期,此時恆星比較穩定,主要進行氫的核聚變。目前我們的太陽就是出於這個階段。

隨著核聚變對氫的消耗,恆星進入中年期。當核聚變消耗完氫後,此時的恆星主要由氫聚變的產物氦組成,核反應停止,此時沒有了核反應產生的能量無法維持恆星的形狀,受引力的作用,恆星開始坍縮,而坍縮的過程使恆星內部的壓力和溫度升高。一旦核心的溫度達到了1億度,就開始使氦發生核聚變,重新通過核聚變產生能量來抵抗引力。氦聚變產生的能量造成恆星大幅膨脹,成為紅巨星。

恆星的誕生演變及歸宿

隨著核聚變對氦的消耗,恆星最終也是要進入了衰退期。由於氦聚變對溫度極其敏感,造成很大的不穩定。巨大的波動會使得恆星外殼獲得足夠的動能脫離恆星形成新的星雲,而留下的核心會逐漸冷卻,成為小而緻密的白矮星。在重力和電子互斥力平衡時,白矮星是相對穩定的。在沒有能量來源的情況下,恆星在漫長的歲月中釋放出剩餘的能量,逐漸暗淡下去。最終,釋放完能量的白矮星會成為黑矮星。以上是對太陽質量大小的恆星在這一時期的演變過程,但是對於那些質量大於5倍太陽的恆星,聚變會持續進行下去,氦核聚結束後產生碳,再以碳為原料進一步聚變,一直到硅聚變到鐵。在這之前,恆星通過這些核聚變獲得能量,但是鐵聚變則需要吸收能量。一旦無法通過聚變產生能量與引力平衡,就無法保持恆星的形狀,此時在強大引力的作用下,恆星核心立刻坍縮,引起超新星爆發。如果塌縮的內核質量超過1.44倍太陽的質量,小於3.2倍太陽的質量,那麼此時電子被壓入原子核,和質子結合成為中子。這些中子則形成中子星。如果塌縮的內核質量超過3.2倍太陽的質量,那麼連中子也會被壓碎,直到恆星的半徑坍縮到小於史瓦西半徑,光也無法射出,這時則形成一個黑洞!

恆星的誕生演變及歸宿

總結一下,宇宙大爆炸產生的氣體和塵埃先組成了星雲,星雲在引力的作用下收縮,使得氫原子發生核聚變形成穩定的恆星,隨著氫原子的核聚變消耗殆盡,開始氦核聚變,氦核聚變產生的能量造成恆星大幅膨脹形成紅巨星(太陽質量)超巨星(大質量),隨著氦核聚變的結束,紅巨星外層形成新的星雲內部形成白矮星,超巨星則發生超新星爆炸形成中子星或黑洞。 有沒有想到恆星的誕生及演變過程會如此精彩和複雜,這個過程甚至神奇的把微觀原子電子中子和宏觀的宇宙天體演變緊密的聯繫在一起,宇宙就是如此神奇。我們的太陽現在46億年的年齡,處於穩定的主序星階段,50億年後,將會演變成紅巨星,60億年後,分解為形狀星雲和白矮星,最終,白矮星在無盡的宇宙和慢慢的歲月中冷卻為黑矮星。希望那時的人類還存在並且找到了屬於自己的新家園!從宇宙的尺度來看,行星形成於恆星附近殘留的巨分子云碎片,也就是說我們的地球的形成是多麼的偶然,地球生命的誕生更是奇蹟,今天我們每個人的存更是何等的幸運!我們還有什麼理由去抱怨而不去珍惜當下呢?


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