天体物理论文

端坐天穹的王者

————恒星的结构和演化

啊，银河，

仿佛天国的河在缓缓流淌，

又如美人的胴体发着幽光。

我是沿着你流向另一个世界，

还是只能空怀着爱意满腔？

——归劳默·阿波里纳瑞自从人类诞生以来，就没有停止过仰望天空。那给予无限光与热的太阳无疑带给人类最多的遐想，它究竟是何摸样？来自何处又将去往何方？又是否会陪我们走尽地老天荒？在这样的猜测中人类逐渐形成了对太阳的依赖与崇拜，19世纪西方宗教研究领域自然神话学派的代表人物麦克斯·缪勒(Max Muller)提出，人类所塑造出的最早的神是太阳神，最早的崇拜形式是太阳崇拜。那它究竟是驾着太阳车的赫利乌斯，还是生于熊熊烈火的托纳帝乌，亦或是赐予人类火种的苏里耶？神话故事只是一些绵延千万年带着敬畏的想象，现代科学技术的发展逐渐揭开了太阳的神秘面纱。在茫茫宇宙中，太阳只是一颗非常普通的恒星，与银河中闪耀的亿万颗星星点点并没有什么区别。在广袤浩瀚的繁星世界里，太阳的亮度、大小和物质密度都处于中等水平。只是因为它离地球较近，所以看上去是天空中最大最亮的天体。其它恒星离我们都非常遥远，即使是最近的恒星，也比太阳远27万倍，看上去只是一个闪烁的光点。从太阳出发，我们可以了解恒星的一般结构，找到研究恒星的一般方法，进而揭示恒星诞生和演化的奥秘。

一、离我们最近的恒星——太阳

太阳位于银道面之北的猎户座旋臂上，距离银河系中心约30000光年，在银道面以北约26光年，它一方面绕着银心以每秒250公里的速度旋转，周期大概是2.5亿年，另一方面又相对于周围恒星以每秒19.7公里的速度朝着织女星附近方向运动。太阳也在自转，其在日面赤道带约25天；两极区约为35天。与地球相比，太阳是一个非常巨大的星体，其直径大约是1,392,020公里，相当于地球直径的109倍；质量大约是1.98×10^30千克，相当于地球质量的330,000倍，约占太阳系总质量的99.86%，这样的数据让我们惊叹，以它来命名我们这个星系它当之无愧。

1.基本情况

作为一颗恒星太阳，其总体外观性质是，光度为383亿亿亿瓦，绝对星等为4.8，是一颗黄色G2型矮星，有效温度等于开氏5800度。太阳与在轨道上绕它公转的地球的平均距离为149597870km。按质量计，它的物质构成是71%的氢、26%的氦和少量较重元素。它们都是通过核聚变来释放能量的，根据理论太阳最后核聚变反应产生的物质是铁和铜等金属。

2.构造

（1）太阳的内部主要可以分为三层：核心区、辐射层和对流层。

太阳的核心区域半径是太阳半径的1/4，约为整个太阳质量的一半以上。太阳核心的温度极高，达到1500万℃，压力也极大，使得由氢聚变为氦的热核反应得以发生，从而释放出极大的能量。这些能量再通过辐射层和对流层中物质的传递，才得以传送到达太阳光球的底部，并通过光球向外辐射出去。太阳中心区的物质密度非常高。每立方厘米可达160克。太阳在自身强大重力吸引下，太阳中心区处于高密度、高温和高压状态。是太阳巨大能量的发源地。太阳中心区产生的能量的传递主要靠辐射形式。太阳中心区之外就是辐射层，辐射层的范围是从热核中心区顶部的0.25个太阳半径向外到0.71个太阳半径，这里的温度、密度和压力都是从内向外递减。从体积来说，辐射层占整个太阳体积的绝大部分。太阳内部能量向外传播除辐射，还有对流过程。即从太阳0.71个太阳半径向外到达太阳大气层的底部，这一区间叫对流层。这一层气体性质变化很大，很不稳定，形成明显的上下对流运动。这是太阳内部结构的最外层。

（2）光球

光球层位于对流层之外，属太阳大气层中的最低层或最里层。光球的表面是气态的，其平均密度只有水的几亿分之一，但由于它的厚度达500千米，所以光球是不透明的。光球层象一颗颗米粒，称之为米粒组织。它们极不稳定，一般持续时间仅为5～10分钟，其温度要比光球的平均温度高出300～400℃。目前认为这种米粒组织是光球下面气体的剧烈对流造成的现象。

光球表面另一种著名的活动现象便是太阳黑子。黑子是光球层上的巨大气流旋涡，大多呈现近椭圆形，在明亮的光球背景反衬下显得比较暗黑，但实际上它们的温度高达4000℃左右，倘若能把黑子单独取出，一个大黑子便可以发出相当于满月的光芒。日面上黑子出现的情况不断变化，这种变化反映了太阳辐射能量的变化。太阳黑子的变化存在复杂的周期现象，平均活动周期为11.2年。

（3）色球

在日全食之前和之后的几秒钟，太阳边缘出现明亮的粉红色闪光。这闪光使得光球上面通常是透明的球层——色球——变成了肉眼可见的层次。它的颜色是由于发射的光谱中Hα这条红线最长的缘故。由于色球正好紧挨温度极小层之上，其底层的密度随高度增加而非常迅速的减少。色球密度从下到上减少的非常厉害，而且与光球一样，这种陡峭的密度变化是我们了解色球的关键。我们可以把色球看作是湍动和较密的光球顶上的泡沫，它是通过磁场与下面的动力学过程紧密耦合的。

据我所知壮丽的明亮气体喷射也是从色球网络处射出的，它向上喷射到大约10000km 的高度，然后在2—5分钟后消失。这些火焰或针状体在太阳边缘的照片中是明显的，因为在那里由于沿视向的针状体相互叠置而显得很密集。因此人们往往用“燃烧的草原”来形容色球。

（4）日冕

在色球之外还存在一层太阳大气，它便是日冕。由于日冕的密度更低，观测它也就变的更为困难。传统方法是等待一次日全食，但观测时间极短，现在我们可以运用用太空火箭把日冕仪带到处于地球大部分大气之上的高空的方法来观测它。日冕中的物质也是等离子体，它的密度比色球层更低，而它的温度反比色球层高，可达上百万摄氏度。在日全食时在日面周围看到放射状的非常明亮的银白色光芒即是日冕。

日冕并不是静态的，而是在他本身的压力梯度作用下反抗太阳重力而向自由空间膨胀，这样产生的流动称为“太阳风”。它在地球处大约达到400km/s的超声速度，但其密度只有每立方米几个粒子，温度约为10^5k。

3.生命周期

目前太阳所处的主序星阶段，通过对恒星演化及宇宙年代学模型的计算机模拟，已经历了大约45.7亿年。据研究，45.9亿年前一团氢分子云的迅速坍缩形成了一颗第三代第一星族的金牛T星，即太阳。这颗新生的恒星沿着距银河系中心约27,000光年的近乎圆形轨道运行。

太阳在其主序星阶段已经到了中年期，在这个阶段它核心内部发生的恒星核合成反应将氢聚变为氦。在太阳的核心，每秒能将超过400万吨物质转化为能量，生成中微子和太阳辐射。以这个速度，太阳至今已经将大约100个地球质量的物质转化成了能量。太阳作为主序星的时间大约持续100亿年左右。太阳的质量不足以爆发为超新星。在50亿年后，太阳内的氢消耗殆尽，核心中主要是氦原子，太阳将转变成红巨星，红巨星阶段之后，由热产生的强烈脉动会抛掉太阳的外壳，形成行星状星云。失去外壳后剩下的只有极为炽热的恒星核，它将会成为白矮星，在漫长的时间中慢慢冷却和暗淡下去。这就是中低质量恒星的典型演化过程。

二、恒星的演化

1.恒星的诞生

曾经看过一段哈勃望远镜拍摄的星空视频，其中有一部分是关于猎户座星云的，那种美丽与壮阔是震撼心灵的，里面是这样描述的：“这些云中有令人惊奇的事情发生着，这是星球的孵育所，年轻星球中最大的一颗就在孵育所的中央，他们的能量创造出不可思议的雄伟云团，以时速五百万英哩沿着这条巨大的峡谷咆哮……这里最大的星球被一群婴儿级的星球围绕着，每个都在各自的茧中孵育着，在每个茧中是一个婴儿级的太阳系……”那孕育中的恒星如此像一个个生命，给了我们无尽的想象空间。

恒星的诞生也许经历的是这样的一个过程：星际空间充满了气体和尘埃物质，每个原子对其它原子都有引力作用，使气体产生紧缩倾向。通常是气体压力使气体免于坍缩。如同恒星内部也是引力和气体压力相互平衡那样，这里的平衡是完全类似的一种局面。如果现在我