晴朗的夜空,繁星点点,美丽的星空可谓是大自然最杰出的作品之一,千百年来,我们就对星空着迷。在夜空中,除了金、木、水、火、土五大行星,月亮,以及偶尔出现的流星和彗星之外,其他的所有天体都是恒星。我们肉眼每天晚上可见的恒星大概有3000颗左右,而随着春夏秋冬四季的变化,我们一年中大概能看到6000颗恒星。
恒星为什么称为恒星
恒星之所以称为恒星,是因为它在天空的位置以及它的颜色和亮度看上去并不发生变化。事实上是这样的吗?当然不是,恒星也有自己的诞生、演化和死亡。
想回答恒星是怎么诞生的,就先要解决恒星的能源问题,即恒星能发出这么多的光和热,它到底烧的什么。因为恒星只有启动了这个能源供应的机制并且稳定的持续下去,我们才能说它真正的诞生了。
在人类知道核反应之前,曾经有人猜测,太阳上烧的应该全是煤炭。且不说这些煤炭来自哪里,我们按照太阳的辐射功率计算,大约只要5000年时间,整个太阳就会被烧完。现在想想,这是不可能的,我们人类的文明也要多于五千年的历史了,没有太阳我们怎么演化至今。
另外,也曾经有人提出过恒星能源的收缩学说,他们认为,恒星会收缩,在收缩过程中,引力能会释放出来,从而使恒星发出大量的光和热。其实这种学说也是站不住脚的,恒星在稳定的阶段——主序阶段仍辐射出大量的能量,但是并不会发生收缩,所以也不会有引力能释放出来。
而在20世纪20年代,艾丁顿(曾经在日全食的时候检验过广义相对论的预言——背景恒星的光线经过太阳时会发生弯曲)提出,太阳的能源可能由热核反应供给。但是因为当时人们对核反应知之甚少,他没能给出具体的计算。后来,人们对核反应的了解越来越深刻,才最终解决了太阳的能源问题,原来太阳真的是由其中心的热核反应提供能源的。这个热核反应的原理其实就和氢弹爆炸的原理一样的,都是四个氢原子聚变为一个氦原子的过程。
其实,星际空间并不是空空的什么都没有。在星际空间中,弥散着很多主要由氢元素组成的星云,恒星就是从这些星云中诞生的。
赫赫有名的马头星云其实是一片恒星形成区
从弥散的原始星云形成恒星,首先要经过一个引力收缩的过程。因为某些原因(金斯不稳定性,感兴趣的可以自己找找相关知识),星云在自身的引力下开始收缩。原始星云是非常巨大的,在收缩到一定程度后,星云会破碎成很多片,其中的每一片都有可能诞生一颗恒星。
破碎后的星云碎片继续收缩,在收缩过程中,引力能被释放出来用以加热星云,这样,星云的温度会越来越高,当星云温度变高以后,内部压力就会增加,这个向外的压力就会在一定程度上抗衡引力收缩。
在收缩过程中,由于恒星已经有了相当的密度,恒星内部的热量已经很难到达恒星表面并辐射出去了,这样,其内部温度就会越来越高,当中心温度达到约800万度以上时,氢的核聚变反应启动了,这可是一个重要的时刻,因为它意味着恒星诞生了。
星云收缩后形成的原恒星
此后,恒星进入稳定燃烧阶段——主序星阶段。此时,恒星内部核反应释放能量产生向外的辐射压,用以抵抗恒星自身的引力,恒星进入一个稳定阶段,这一阶段是恒星一生中最长的阶段。像我们太阳,已经在这一阶段燃烧了50亿年,它大概还剩50亿年左右的寿命。
宇宙中的恒星是怎么样诞生的?
每一颗恒星其实都诞生于一个恒星集群之中,周围簇拥着日后会渐行渐远的、年龄相仿的兄弟姐妹。天文学家之所以知道这一点,是因为这样的“恒星育婴室”至今仍有一些存在,它们被称为星团。
猎户星云的星团也许是其中最着名的:在哈勃望远镜下,猎户星云星团的恒星在朦胧的尘埃和气体云中闪闪发光。在户外你能看到昴星团:它是金牛座中一片模糊的光斑。星团间差异巨大,有的只是几十个成员的脆弱联盟,而有的则是数百万颗恒星的集合。一些星团非常年轻——年龄只有几百万年,其些则诞生于宇宙创生初期。在它们之中,我们能找到处于恒星生命周期任意阶段的恒星。
依据年龄,以及恒星的数目和密度,星团通常可分为5种类型。最年轻的恒星集群被称为内埋星团(embedded cluster),位于浓密的星云中,因而在这种星团中,恒星发出的可见光完全被遮挡,我们只能看到被恒星加热的尘埃发出的红外辐射,无法辨别这些原始星团的精细结构——这是一个永恒的谜题。
相比之下,球状星团(globular cluster)则是最古老、成员最多的恒星集群。球状星团的年龄可以追溯到宇宙初期,它们可以将多达100万颗的恒星极为紧密地包裹在一起。这些成熟星团的母星云已经消失,其中的恒星清晰可见。然而,即便是最近的球状星团也与银河系的银盘有着相当远的距离,因此天文学家也难以详尽地研究它们。于是,为了有可操作性,我把研究目标限定在了3类星团上,这3类星团位于银河系银盘的平面上,因此最好观测。
科学家已经知道,T星协中母星云的质量要远大于其中恒星质量的总和。我想,这一特征可以解释,这些星团为什么寿命较短。质量决定引力的强度:质量越大,引力就越强。因此,如果一个星团中,母星云的质量远大于其成员恒星的总质量,那么这个母星云的引力——而非恒星施加在彼此身上的引力——必定会把该星团维系在聚集状态。如果这个母星云消散了,恒星就会四散开去。天文学家认为,是恒星风(stellar wind,由恒星表面向外喷射出的有力气流)最终吹散了T星协的母星云,释放出了先前被束缚在一起的这些恒星。
银河系中,另一类容易观测的恒星集群被称为OB星协,这个名字来自其中的两种特别的恒星,即宇宙中最明亮且质量最大的O型和B型恒星。通常来说,OB星协所含恒星的数目大约是T星协的10倍,其中还有少量O型和B型恒星。猎户星云星团就是一个为人所熟知的例子:它位于约1 500光年之外,由4颗大质量恒星和约2 000颗低质量恒星组成,也包括了许多金牛T星。 在银河系中,猎户星云星团是距离我们较近的区域里恒星密度最高的(猎户星云距离地球约1500光年)。
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