恒星演变论文

恒星的演变

距离我们最近的恒星，太阳，是我们地球生命循环的最原始动力。无论地球本身的存在是那么的巧合，但是太阳始终是驱动着这个太阳系的最原始的动力，如果太阳不亮了，那会怎样？所以自古以来，人们就开始观察太阳，了解我们的世界。

通过科学家观察天空所得，太阳只是无数在天空中闪耀的恒星的其中之一。我们对宇宙和天空的探索，绝不仅仅止于了解太阳。而是了解我们的宇宙，了解恒星，了解恒星从哪里来，而又会到哪里去。

恒星的诞生

恒星的演化开始于巨分子云之中。此时，太空中的粒子密度大约是每立方厘米0.1到1个氢原子，但是巨分子云的密度是每立方厘米数千到百万个氢原子。一个巨分子云包含数十万到数千万个太阳质量，直径甚至为50到300光年。

在巨分子云环绕星系旋转时，某些事件可能造成它的重力坍缩。坍缩过程中的角动量守恒会造成巨分子云碎片不断分解为更小的片断。质量少于约50太阳质量的碎片会形成恒星。在这个过程中，气体被释放的势能所加热，而角动量守恒也会造成星云开始产生自转之后形成原恒星。

恒星形成的初始阶段几乎完全被密集的星云气体和灰尘所掩盖。通常，正在产生恒星的星源会通过在四周光亮的气体云上造成阴影而被观测到，这被称为包克球。质量非常小的原恒星温度不能达到足够开始氢的核融合反应，它们会成为棕矮星。质量更高的原恒星，核心的温度可以达到1,000万K，可以开始质子-质子链反应将氢先融合成氘，再融合成氦。在质量略大于太阳质量的恒星，碳氮氧循环在能量的产生上贡献了可观的数量。新诞生的恒星有各种不同的大小和颜色。光谱类型的范围从高热的蓝色到低温的红色，质量则从最低的0.085太阳质量到数十倍于太阳质量。恒星的亮度和颜色取决于表面的温度，而表面温度又由质量来决定。

恒星的成熟

根据恒星质量的大小，分别为低质量恒星的成熟，中等质量恒星的成熟，和大质量恒星的成熟，都是各有不同。

质量低于0.5太阳质量的恒星，属于低质量恒星。这些恒星在核心的氢融合停止之后，很单纯的仅仅因为没有足够的质量在核心产生足够的压力，因此不能进行氦核的融合反应。这类恒星在消耗掉氢元素之前，被称作红矮星，像是比邻星，其中有些的寿命会比太阳长上数千倍。

目前的天文物理学模型认为0.1太阳质量的恒星，在主序带上停留的时间可以长达6万亿年，并且要再耗上数千亿年或更多的时间，才会慢慢的塌缩成为白矮星。如果恒星的核心

缺少对流（被认为有点像现在的太阳），它将始终都被数层氢的外层包围着，这些也许都是在演化中产生的氢层；但是，如果恒星有着完全的对流（这种想法被认为是低质量恒星的主角），在它的周围就不会分出层次。如果真的这样，它将如同下面所说的中等质量恒星一样，它将在不引起氦融合的情况下发展成为红巨星；否则，它将单纯的收缩，直到电子简并压力阻止重力的崩溃，然后直接转变成为白矮星。

对于中等质量的恒星来说就是另一种情况，在核心外围数层含有氢的壳层在核融合反应的加速下，立刻造成恒星的膨胀。因为这是在核心外围的数层，因而它们所受到的重力较低，它们扩张的速率会比能量增加的更快，因此会造成温度的下降，并且使得它们比在主序带的阶段还要偏红。像这样的恒星就称为红巨星。包括在金牛座内的毕宿五和牧夫座的大角星，都是红巨星。50亿年后，我们的太阳也将由主序星演变成这样的红巨星，膨胀的太阳将逐步燃烧吞食水星、金星和地球。

质量在数个太阳质量之内的恒星在电子简并压力的支撑下，将发展出外围仍然包覆着氢的氦核心。它的重力将数层的氢直接挤压在氦核上，这造成氢融合的反应速率比在主序带上有着相同质量的恒星更快。这反而使恒星变得更为明亮（亮度增加1,000至10,000倍）和膨胀；膨胀的程度超过亮度的增加，核聚变反应速度的加速，导致有效温度的下降。

恒星膨胀的是在外围的对流层，将物质由靠近核融合的区域携带至恒星的表面，并经由湍流与表面的物质混合。除了质量最低的恒星之外的所有恒星，在内部进行核融合的物质在这个点之前都是深埋在恒星的内部，经由对流的作用使核融合的产物第一次可以在恒星的表面被看见。在这个阶段的演变，结果是很微妙的，最大的效应是对氢和氦的同位素造成的改变，但是尚未能观测到。有作用的是出现在表面的碳氮氧循环，较低的12C/13C比率和改变碳和氮的比率。

当围绕着核心的氢被消耗时，核心吸收产生出来的氦，进一步造成核心的收缩，并且使残余的氢更快的进行核融合，这最终将导致氦融合（包括3氦过程）在核心进行。在质量比0.5太阳质量更大的恒星，电子简并压力也许能将氦融合的延后数百万至数千万年；在更重的恒星，氦核和迭加在外数层气体的总质量，将使得电子简并压力不足以延迟氦融合的过程。

最终，红巨星的核能源进一步枯竭之后，红巨星将抛出一些气体，形成“行星状星云”。这个阶段，红巨星的中心部分将塌缩，形成小而高密、高温的白矮星。白矮星的密度一般在0.1~100t/cm3之间。白矮星温度高，呈白色；体积小，因而亮度小。随着热核反应的逐渐停止，白矮星将逐渐冷却成为黑矮星，黑矮星是一颗比钻石还要硬的巨大星体。但是由于形成黑矮星的时间太过于漫长，所以目前宇宙中还没有真正意义的黑矮星。白矮星的主要化学成分是高密度的碳和氧。

在大质量的恒星，在电子简并压力能够成为主流之前，核心已经大到能够将由氢融合产生的氦引燃。因此当这些恒星在膨胀和冷却时，它们的亮度不会比低质量的恒星大多少；但

是它们会比低质量恒星开始时的阶段亮许多，并且也会比低质量恒星形成的红巨星明亮，因此这些恒星被称为超巨星。

质量特别大的恒星（大约超过40倍太阳质量），会非常明亮和有着相当高速的恒星风。在它们膨胀成为超巨星之前，因为强大的辐射压力，倾向于先剥离外面的气体壳层，因而它们的质量损失也非常快，这导致它们在主序带的阶段都维持着表面的高温（蓝白的颜色）。因为恒星的外壳会被极端强大的辐射压剥离，因此恒星的质量不能超过120个太阳质量当从外壳的基部获得氢并融合成氦时，核心也逐渐变得更热和更密集。在大质量的恒星，电子简并压力不足以单独的阻止重力崩溃，至于每一种在核心被消耗掉的元素，点燃更重的元素融合之火，也都能暂时的阻止重力崩溃。如果恒星的核心不是太重（质量大约低于1.4倍太阳质量，考虑到在这之前已经产生了许多质量的损耗），它也许可以如前所述的质量较低恒星，形成一颗白矮星，不同的是这种白矮星主要是由氧、氖和镁组成。

在核心崩溃之前，大质量恒星的核心结构是有如洋葱般的层层排列。当原始恒星质量达到某种程度时（估计是2.5倍太阳质量，并大约在10倍太阳质量以内），核心的温度可以达到光致破坏的温度开始形成氧和氦，而氦又会立刻和残余的氖融合成镁；然后氧融合形成硫、硅和少量的其他元素。最后，温度达到任何一种元素都会被局部毁坏的高温程度，通常都会释放出α粒子（氦核），又立刻和其他原子核融合，所以有少数的原子核经过整理之后会成为更重的原子核，而释放出来的净能量是增加的，因为打破母原子核所释放出来的能量大于融合成子原子核所需要的能量。

核心质量太大不能形成白矮星，又未能达到足以承受氖转换成氧与镁的恒星，在融合成更重的元素之前，就将经历重力崩溃的过程。无论电子捕获造成温度增加或降低，都会在重力崩溃之前构成比原来小的原子核（像是铝和钠），可以在重力崩溃之前对总能量的产生造成重大的冲击。这也许对之后产生引人注目的超新星爆炸与抛出的元素和同位素丰度都有影响。

最特殊的情况是质量最大的恒星可能在超新星爆炸中因为能量超过它的重力束缚能而完全的被毁灭。这种罕见的事件，导致不稳定对超新星，事后的核心不会留下包括黑洞在内的各种残骸。

通常而言，超过8 M⊙以上的太阳质量的主序星在演变成超红巨星之后，中心温度可升高到30 亿度，生成以铁为中心的核，当生成的铁核越来越大，仅靠原子间的电子斥力已不能支撑它自身的重量，这时，铁核进入白矮星状态，电子的泡利斥力将起来抗衡万有引力。当铁核质量超过1.4M⊙时，铁核突然塌缩，电子将被压入原子核中，与其中的质子中和生成中子，成为中子星。中子星和白矮星有些相似，它不是靠热排斥或电磁作用来抗衡引力，而是靠中子间的泡利斥力来抗衡。中子星是一种非常致密的天体，它自身的万有引力可将相当于一个太阳质量的物质压缩在半径为10千米的球体内。也就是说，一匙中子星的质量差不多相当于地球上一座大山的质量。其密度高达1 亿~10亿t/ cm3。

中子星的质量有个上限，大约为3~4 M⊙，超过这一极限的中子星是不稳定的，会进一