【第三节】恒星的一生

金牛XZ的爆发泡
这个阶段可以看作恒星躁动不 安的青年期。某些观测到的不规则 变星正是这类新生恒星。
随着年轻恒星的演化，其周围 的气壳终于消失，星周盘不再能获 得补给，盘内的物质也逐渐结合成 为团块，成为日后构筑行星的材料。 于是，年轻恒星从它们青少年的狂 躁中平静下来。
它们继续慢慢地收缩，收缩过
程的长短取决于这颗恒星的质量， 质量越小，过程越慢，反之，过程 则快。例如0.2太阳质量的恒星，收 缩过程长达17亿年，1太阳质量的 恒星约7千5百万年，而15太阳质量 的恒星则只有6万年。
收缩过程结束之后，其内部温
度和压力提升得相当高，当核心温 度高达700万开时，氢原子核聚变 成氦原子核的核反应过程便开始了。 这时，恒星成为一颗正常恒星即主 序星，开始了它们一生中最漫长的 成年生活，终于成熟。
B68暗星云
NGC 2024 马头星云
在亮星云背景上的形象
天鹅座γ星附近散布着的弥漫星云
M16星云
猎户星云是一个典型的亮星云， 形似一个成熟开放的棉桃，距离 1500光年，直径约16光年。它位于 猎户座三星的下方、“佩剑”的中 间，能用肉眼辨认。
在 猎 户猎 座户 中星 的云 位 置
星云中的氢原子被一些高温恒
他们综合大量处于不同演化阶 段的恒星的资料，结合理论分析， 理清了恒星演化的来龙去脉，建立 起恒星演化模型。
正如人类学家或生理学家要了 解人从生到死的演变过程，并不需 要去跟踪一名婴儿，直到他的暮年 临终时，积累毕生的历程才能终结 出来，而是放眼人间，看到芸芸众 生之中有婴儿、幼儿、少年、青年、 中年、壮年和老年之分，就可描绘 出人的一生了。
恒星到达了主序后，开始了漫 长的核反应的演化史。恒星内部建 立了平衡的状态，它包括流体静力 学平衡和热平衡。
流体静力学平衡指在每一点上 向外的压力与向里的引力达到平衡。
热平衡指任一体元每单位时间 获得的能量等于它释放的能量。对 整个恒星而言，每秒钟通过表面辐 射损失的能量与在中央区域热核产 生的能量达到平衡。
古代的天文学家用肉眼估计恒
星的亮度。早在公元前2世纪，古希 腊天文学家喜巴恰斯编制星表时， 把恒星分成6个星等。他把肉眼所见 最亮的恒星设为1等星，而肉眼勉强 能见的最暗恒星设为6等星。
天文学家后来发现，1等星的亮 度约为6等星的100倍。于是定义星 相差1等，亮度之比为1001/5 = 2.512。 事实上，这附合人的生理规律。在 生理学上有一条定律：人的感觉 （例如视觉）与外界刺激的对数成 正比。
星的紫外线照耀着，发出红色的光
辉。猎户星云的质量估计相当于 300个太阳，最亮部分密度达星际 物质平均密度的1万倍（但只是地 面上空气密度的数千万亿分之一）， 温度约8000开。
用射电天文方法探测到猎户星
云只是一个更巨大的星云中被高温 恒星照亮的一小部分。这个大星云 的直径达300 光年，质量为数万太 阳质量。这个星云是恒星诞生的摇 篮。那里能发现许多恒星正在形成 之中，也有新生的幼年恒星和青少 年恒星。
猎户星云 M42
对于研究恒星形成的天文学家
来说，猎户座红外源是十分珍贵的 天区，组成了一个年轻天体和弥漫 物质的庞大的复合体。
1.2 恒星胎儿默默生长
星云里的物质分布是不均匀的， 有的地方较密，有的地方较稀。物 质密集的地方引力比较强，形成了 一个凝聚中心，把周围的气体和尘 埃吸引过去，随着物质增多，引力 不断增强。在一个大星云里，可以 同时形成许多个这样的凝聚中心。
星云物质不断地向这些中心掉
落，物质越积越多，密度越来越大， 它们成为一个个“稠密核”，每一 个都是一颗形成恒星的种子。
星云内的稠密核是引力吸引中
心，吸引着大量周围的物质向它下 落，核心物质增多，引力增强，因 而收缩。在几万年到上亿年的时间 内密度递增了几百几千亿倍。
伴随着密度的增加，温度也节 节攀升，因为在收缩的过程中，周 围下落物质的势能转化为动能，正 如瀑布的势能转化为动能那样。密 集下落的物质通过相互碰撞和摩擦， 又把动能转化为热能，从而提升了 核心的温度。
天体物理学
EP03 恒星的一生（上）
0.1 壮丽的星空
晴朗无月的夜晚，又远离城市
灯光，我们翘首仰望天空，便有点点 繁星映入眼帘，其中绝大多数都是被 称为“恒星”的天体。按照现代天文 学的认识，恒星是质量大多介于 0.05 ～ 120太阳质量（m⊙）之间， 靠自身的能源发出电磁辐射的天体。
北 极 恒星 星和 的北 周天 日极 视周 运围 动
上世纪四、五十年代以来，射 电和红外技术飞速发展，通过射电 和红外探测，人们了解到恒星正在 星云内部默默地生长着。这两种天 文观测的新技术为人们了解恒星形 成作出了革命性贡献。
射 电 望 远 镜
美国索菲亚平流层红外天文台
空间红外望远镜
1.3 幼年恒星趋向成熟
恒星胎的质量从太阳的几分之
一到几倍十几倍。这时这个核心已 经瓜熟蒂落，称为原恒星，标志着 恒星婴儿已呱呱坠地。恒星婴儿逐 渐进入幼年期，继而迈向少年期。 这时的星云物质已经相当稀薄，成 为包围它的一个薄薄的壳层。
它们有更大的星周盘环绕，盘 内物质绕着中央恒星在飞快地旋转 着，温度极高，因而也有很强的辐 射，还能产生多种活动现象。
这些青少年期的恒星是很活跃
的天体，除了强烈的喷流以外，有 时会出现短暂的爆发，这时恒星的 亮度迅速增长几倍，随后在几小时 之内慢慢回落。它们也是X射线的强 辐射源，比太阳的X射线辐射高过千 倍以上。
人从婴儿到老年
现在天文学家的手上有了一个
强大的武器，那就是计算机。他们 可以根据现有的理论和观测资料， 在计算机上对恒星和行星系统的形 成和演化进行模拟，结合在地面和 空间的观测，不断改进模型。所以 说，现在借助于先进的观测技术和 超级计算机，天文学家手中的模型 已经相当可靠了。
1 恒星形成
1.1 恒星的产房
0.2 关于恒星的小知识
（1） 恒星的运动
恒星在宇宙空间是运动的。只 是由于距离遥远，即使经历成千上 万年，它们的位移与距离相比，小 到可以忽略，不借助特殊的工具和 方法难以发现它们的运动，故古人 称之为恒星。
北斗七星的形状变化
十万年之前 现在 十万年之后
（2） 恒星的亮度
在观察恒星的时候，会发觉有 的恒星明亮，有的恒星暗淡。我们 用“亮度”这个术语来描述我们直 观上感觉到的明亮程度。
每一个核心产生时的质量很小， 只有约1%太阳质量，但直径大到如 火星轨道半径。这个核心与它周围 一大片星云物质使原先的大星云分 裂。每一个裂块的中心最终都将形 成一颗恒星。它们是恒星的“胎 儿”。
恒星胎深深地着床于它们的母
星云中，气体和恒星胎继续吸引着 周围物质，它的质量快速增大，温 度持续上升。
18世纪中叶和末年德国哲学家 康德(E·Kante)和法国数学家兼力学 家 拉 普 拉 斯 (P·Laplace) 分 别 独 立 地 提出了关于太阳系起源于星云的学 说，成为科学的天体起源和演化学 说之滥觞。现代天文学确实认为恒 星起源于星云之内。
康 德 像
拉 普 拉 斯 像
拉 普 拉 斯 星 云 说
这好比有些富户，自恃富甲
天下，财大气粗，于是肆意挥霍， 奢侈无度，便很快家境败落，难 以为继。而一户小康人家，自度 积蓄有限，财力不丰，于是省吃 俭用，量入为出，便能维持长久 的生计。
星际物质和星云
星际物质中含量最高的元素是 氢，是星际气体的主要组成部分， 其次要数氦。星际尘埃是由各种元 素的原子和分子结合形成的细微颗 粒，这些颗粒飘浮在气体之中。星 际物质在银河系中的分布不均匀， 通常集中在银盘上。
星际尘埃
它来自于行星际空间，这是电子显微镜下拍摄的图像
星际物质密度相对较高的区域
0.3 天文学家 如何研究恒星演化
恒星也有从诞生到死亡的过程，
恒星的生命过程长的达几百亿年， 短的也有几千万年。天文学家要研 究恒星生命的演化，若去跟踪某颗 恒星，考察它的一生历程，这实在 是不可能的事。
天文学家放眼星空，去考察千
千万万颗恒星，从中分辨出不同演 化阶段，有的正在形成，有的进入 中年，有的行将衰亡。
在中央恒星的强大引力下，物
质继续暴雨般地下落，在它的周围 形成一个扁平的盘，称为星周盘。 壳层内物质先落入星周盘中，经过 星周盘逐渐落到中央的新生恒星上 去。
盘 环 绕 着 年 轻 的 恒 星
金 牛 星 云 中 稠 密 的 星 周
新生恒星周围的壳层充分耗尽 时，没有了遮拦光线的屏障，它们 就能用普通的光学望远镜观测到了。
（3） 恒星的光度
恒星的发光能力称为光度。光 度是天体整个表面在单位时间内辐 射的总能量。它是恒星本身固有的、 衡量其辐射本领的量，与观测者的 感觉无关。
有的恒星光度较高，有的较低。 恒星的亮度并不真正代表光度。恒 星的亮度还与恒星离地球的距离有 关，也受星际消光、大气消光等多 种次要因素的影响。一颗光度很高 的恒星可能因距离较远显得暗淡； 反之，一颗光度很低的恒星则可因 距离较近显得明亮。
北斗七星与我们的距离
我们可以用一排路灯来作说明。
假设路灯每个灯泡的功率都是 1000W，它相当于恒星的光度。入 夜，华灯初上，你站在路边从近处 向远方望去。显然，你感到在你头 顶的那盏灯最为明亮，越往远去， 越显暗淡。
灯的亮度随距离而改变
E~ L r2
事实上，恒星的亮度与它的光 度成正比，而与它的距离平方成反 比。
请注意，亮度增大，星等减小。
视亮度 等
星等与亮度关系示意图
视星等 视亮度
视星
建立了星等与亮度的关系，就
可以通过恒星的光度测量，精确地 测定恒星的星等，而且能向更亮和 更暗的方向扩展。例如织女星的星 等为0.03m，天狼星的为 -1.44m，太 阳 的 为 -26.75m 等 等 。 （ 右 上 角 标 m 表示星等的等级）。
当其内部温度上升到2000开时， 由两个氢原子结合成的氢分子分裂 为离散的原子，这个过程会使恒星 胎收缩，收缩到大小类似于太阳。 由于长期持续地吸引物质，这个恒 星胎在生长着。
尘埃稠密地包围在新生恒星四 周，以致任何可见光完全被吸收。 所以在很长时期里，天文学家用传 统的光学望远镜无法探测到他们。 然而，红外光和射电波能穿透星际 尘埃和气体。
星云是由气体和尘埃组成的云
雾状天体。在银河系中，恒星之间 的平均距离为6~10光年，在这些辽 阔的星际空间并非一无所有，而是 充满了气体和尘埃。散布在恒星与 恒星之间广阔空间的物质称为星际 物质。
星际物质分布的空间广阔，但 它们的平均密度很低，在1立方米 的空间内大约只有1百万个氢原子， 远远低于实验室制造的真空中的气 体密度。银河系中星际物质的质量 约占星系总质量的10%。
就形成了星云。一般星云的密度在 每立方米数千万至数亿个氢原子。 它们的质量在太阳质量的0.1~1000 倍之间。云块内的密度和温度都很 低，由于温度很低，星云里的大部 分氢原子都结合成了氢分子。通常 恒星正是从氢分子云里产生的，氢 分子云是恒星的产房。
根据星云是否发光，星云分为发 光的亮星云和不发光的暗星云两类。 星云的外观千姿百态，有的形如马 头，有的状如玫瑰，还有的酷似蚂 蚁，……不一而足。
星云核的收缩、原恒星及其盘的形成 和清除、并形成行星(自左至右)
1.4 恒星世界的富户和穷人
就正常的成年恒星来说，它们
的质量各不相同，不同的质量决定 了它们在成年期存续的时间以及今 后演化的历程和结局。
恒星的成年期也有终结的时候， 那就是它核心部分用于核聚变的氢 “燃料”耗尽之时。之后就开始晚 期的演化阶段，直至死亡。所以说 恒星也有它的寿命。恒星的一生中， 在成年期经历的时间最长，如上所 述占一生的90%。
恒星的寿命有长有短，这取决
于恒星的质量。质量小的寿命长，
质量大的寿命短。对于诸如太阳wenku.baidu.com 样的小质量恒星来说，寿命约100 亿年，一颗0.2太阳质量的恒星， 寿命达几百亿年，而一颗质量是太 阳15倍的恒星，寿命只有2千万年。
按理说，质量越大，可供消耗
的燃料越多，怎么反而寿命短呢？ 原来恒星内部的核反应，质量大的 比质量小的要激烈得多。大质量恒 星虽然原料丰足，却经不起非常剧 烈的消耗，便较快地走完了生命的 历程。