恒星的一生

傅煜銘

任晴朗無(wú)云、沒(méi)有月亮的夜晚，我們抬頭仰望星空時(shí)，總會(huì)被那璀燦的繁星深深震撼。古時(shí)候的人們發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于行星、彗星等位置會(huì)變化的天體，天上為數(shù)最多的星星相互之間的位置幾乎沒(méi)有改變，于是把它們叫作“恒星”?，F(xiàn)代的天文學(xué)家把受自身引力束縛、自己發(fā)先發(fā)熱的由等離子體組成的球狀天體叫作恒星。太陽(yáng)也是恒星六家庭的一員，是離我們最近的恒星。

實(shí)際上，人類(lèi)真正認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)也是一顆恒星，是最近幾百年間的事情。哥白尼、布魯諾等科學(xué)家作為日心說(shuō)的開(kāi)創(chuàng)者，認(rèn)為地球并非世界的中心，而是繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的。同時(shí)，他們相信恒星也和太陽(yáng)一樣，只是因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，所以看上去只是一個(gè)個(gè)的亮點(diǎn)。1838年，德國(guó)天文學(xué)家弗里德里希·貝塞爾首次通過(guò)視差法較為精確地測(cè)量了一顆恒星到我們的距離。在此之后，許多恒星的距離都被測(cè)量出來(lái)?？茖W(xué)家們使用觀測(cè)到的恒星亮度，修正它們所在距離對(duì)于亮度的影響（光源距離觀測(cè)者越遠(yuǎn)，看上去就會(huì)越暗）后，發(fā)現(xiàn)這些恒星幾乎都和太陽(yáng)差不多亮！科學(xué)家們還通過(guò)對(duì)比太陽(yáng)和其他恒星的光譜，證實(shí)了它們?cè)诒砻鏈囟群突瘜W(xué)成分上都十分相似。按照恒星的光譜分類(lèi)方法，太陽(yáng)是一顆G2型的主序恒星。

宇宙中一共有多少顆恒星呢？“不計(jì)其數(shù)”可以說(shuō)是對(duì)這個(gè)問(wèn)題最為準(zhǔn)確的回答。限于我們所處的位置和恒星、星系到我們的距離，我們?cè)谝雇砜梢杂萌庋劭吹降暮阈牵瑤缀跞嘉挥阢y河系內(nèi)。我們的肉眼無(wú)法分辨遙遠(yuǎn)星系中的單個(gè)恒星。因此，許多星系在我們看來(lái)都是一個(gè)個(gè)很小的亮斑或者模糊的小亮點(diǎn)，它們是這些星系所有恒星發(fā)光的總和。粗略地估計(jì)一下，我們所能觀測(cè)到的宇宙中有大約千億個(gè)銀河系這樣的星系，而每一個(gè)這樣的星系中，又有數(shù)千億顆恒星，宇宙中恒星的數(shù)目是多么巨大！這些恒星從何處來(lái)，又將到何處去？一顆普通的恒星——這個(gè)在宇宙中滄海一粟般的平凡存在，究竟又會(huì)演繹出何等波瀾壯闊的詩(shī)篇？

恒星誕生記——我們來(lái)自星塵

近代的康德和拉普拉斯提出了“星云說(shuō)”來(lái)解釋太陽(yáng)系的形成，“星云說(shuō)”認(rèn)為太陽(yáng)系內(nèi)的天體誕生于原始星云中。這一假說(shuō)為人們研究恒星起源提供了很大啟發(fā)。經(jīng)過(guò)英國(guó)天文學(xué)家金斯的開(kāi)創(chuàng)性研究以及后來(lái)的天文學(xué)家們的努力，現(xiàn)代的恒星形成理論逐漸發(fā)展和完善，并得到了大量觀測(cè)證據(jù)的支持。目前的恒星形成理論指出，恒星誕生于分子云中。

分子云是星云的一種。星云是對(duì)幾類(lèi)由彌散的星際氣體和塵埃組成的天體的統(tǒng)稱(chēng)，它們廣泛存在于銀河系和其他星系中。許多星云因?yàn)橥庥^奇特瑰麗而為人們所熟知。我們現(xiàn)在可以使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到這些星云的美麗照片，但很少有人知道，星云的物理狀態(tài)并

不像我們所熟知的地球上的云和霧，而是比人類(lèi)所能制造的實(shí)驗(yàn)室真空環(huán)境更“真空”更稀薄。星云包括發(fā)射星云、反射星云、行星狀星云和暗星云等。其中，行星狀星云是小質(zhì)量恒星死亡后的遺跡；暗星云既不發(fā)光也沒(méi)有光供它們反射，由于塵埃的存在，它們會(huì)遮擋背景光源的光，所以可以在明亮彌散星云背景的映襯下被發(fā)現(xiàn)。

暗星云通常是分子云。分子云的主要化學(xué)成分是氫分子和氦原子，還包含一些其他元素組成的原子、分子或化合物。其中許多比氫和氦更重的元素，來(lái)自更老的恒星死亡后拋出的物質(zhì)。分子云雖然是較為稠密的星際介質(zhì)，但和人類(lèi)所處的環(huán)境相比仍然十分稀薄。分子云的數(shù)密度是每立方厘米100到1000個(gè)粒子，地球上空氣的數(shù)密度是分子云的10億億倍！

分子云溫度很低，大約10開(kāi)爾文（開(kāi)爾文，溫度單位，10開(kāi)爾文等于-263.15攝氏度）。分子云具有巨大的尺度，典型的直徑為幾十至數(shù)百光年（光年，距離單位，光在真空中走一年的距離，1光年約等于94605億千米）。因此盡管分子云很稀薄，它仍然擁有很大的質(zhì)量，通常足以制造上萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)這樣的恒星。分子云被稱(chēng)為恒星的“育嬰室”，年輕的恒星在其中誕生，并經(jīng)歷了最初階段的演化。

在分子云的不同位置，物質(zhì)的密度可能不同，這種密度的不均勻性為分子云后來(lái)的坍縮和分裂埋下了種子。觸發(fā)這一系列過(guò)程的導(dǎo)火索，可能是分子云附近的超新星爆發(fā)，或者分子云與另一塊分子云的碰撞產(chǎn)生的激波。由于受到這樣的擾動(dòng)，分子云中質(zhì)量較大的部分區(qū)域會(huì)在自身引力作用下近乎自由落體地坍縮。坍縮的那部分云塊越變?cè)矫?，由于它不夠穩(wěn)定，便繼續(xù)分裂成若干個(gè)小碎塊，每一個(gè)碎塊還會(huì)分別繼續(xù)坍縮。碎塊密度越來(lái)越大，溫度逐漸升高，氣壓開(kāi)始增大。這樣導(dǎo)致的結(jié)果，就是原恒星核的形成。

原恒星核周?chē)臍怏w物質(zhì)持續(xù)落在原恒星核上，并圍繞原恒星核一起旋轉(zhuǎn)。這些聚集起來(lái)的物質(zhì)最終將形成一個(gè)盤(pán)狀的結(jié)構(gòu)——吸積盤(pán)，原恒星核位于盤(pán)的中心。原恒星核繼續(xù)吸積氣體物質(zhì)，溫度升高，也開(kāi)始變得明亮。原恒星核會(huì)在這時(shí)經(jīng)歷一個(gè)短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，之后當(dāng)溫度升高到使氫分子分解為氫原子時(shí)（約2000攝氏度），原恒星會(huì)再次坍縮；第三次坍縮發(fā)生在溫度大約10000攝氏度的時(shí)候，此時(shí)氫和氦都被電離成離子，這次坍縮會(huì)在原恒星收縮到直徑只有大約幾十倍太陽(yáng)直徑時(shí)停止。

原恒星內(nèi)的物質(zhì)會(huì)因引力而聚集，致使原恒星內(nèi)部溫度持續(xù)升高。當(dāng)原恒星中心的溫度、密度、壓力達(dá)到一定條件時(shí)（溫度約10000000攝氏度），熱核反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。氫原子會(huì)結(jié)合形成氦原子，這個(gè)過(guò)程伴隨巨大的核能釋放，引發(fā)的效應(yīng)包括溫度和壓力升高、恒星變亮。隨著熱核反應(yīng)的進(jìn)行，恒星可以在一段時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。恒星生命中的黃金時(shí)代——主序階段到來(lái)了。

主序階段——恒星一生中最長(zhǎng)的時(shí)光

新生的恒星有不同的大小，直徑最小的不到太陽(yáng)直徑的一半，最大的可達(dá)20多倍太陽(yáng)直徑；它們還有不同的顏色，從紅到藍(lán)。這些不同的特性，取決于恒星形成時(shí)所聚集的物質(zhì)多少。如果恒星形成時(shí)聚集的物質(zhì)更多，最終形成的恒星質(zhì)量和體積就會(huì)更大，恒星的表面溫度也會(huì)更高，因此會(huì)輻射波長(zhǎng)更短的光而呈現(xiàn)偏藍(lán)的顏色；反之，小質(zhì)量的恒星表面溫度通常更低，輻射出的光線中屬于長(zhǎng)波成分的紅色更多，因此看上去偏紅。而恒星質(zhì)量大小對(duì)恒星的影響還遠(yuǎn)不止這些，它從一開(kāi)始就決定了恒星的壽命，設(shè)計(jì)好了恒星生命中的幾乎一切劇情。

主序階段主要是指恒星內(nèi)部發(fā)生熱核反應(yīng)燃燒氫元素生成氦元素并保持穩(wěn)定的階段。主序階段是恒星一生中最長(zhǎng)的階段，也正因?yàn)槿绱?，我們看到的大部分恒星都正處于主序階段。不過(guò)，由于恒星內(nèi)核的氫元素終將被熱核反應(yīng)耗盡，恒星不能永遠(yuǎn)保持在穩(wěn)定的主序階段，而是會(huì)脫離主序，走向死亡。大質(zhì)量的恒星由于消耗氫的速度遠(yuǎn)快于小質(zhì)量的恒星，因此具有比小質(zhì)量恒星更短的主序階段時(shí)間和更短的總壽命。理論計(jì)算表明，太陽(yáng)在主序階段大約會(huì)停留100億年的時(shí)間。太陽(yáng)形成于大約46億年前，所以它正處于壯年時(shí)期。而一個(gè)具有10倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，主序階段的時(shí)間僅有約2000萬(wàn)年，相比之下就太短了。從分子云到進(jìn)入主序階段，太陽(yáng)經(jīng)歷了幾千萬(wàn)年，這相比于太陽(yáng)主序階段的時(shí)間只是一個(gè)很小的數(shù)字。大質(zhì)量恒星從分子云到進(jìn)入主序階段，用的時(shí)間還會(huì)更短。

主序星通過(guò)熱核反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)生使它發(fā)光發(fā)熱的能量。我們地球上的生物得以生存，歸

根結(jié)底也得益于太陽(yáng)內(nèi)核持續(xù)穩(wěn)定的熱核反應(yīng)，因?yàn)樘?yáng)提供了適宜生物生存的溫度和人類(lèi)所需的能源。當(dāng)一顆恒星內(nèi)核的氫被熱核反應(yīng)消耗完時(shí)，它便行將就木。

恒星的萬(wàn)年——壯麗的結(jié)束

恒星末期的演化，也是由恒星的質(zhì)量決定的。不同質(zhì)量的恒星最終的命運(yùn)也會(huì)不同。

對(duì)于質(zhì)量在2倍太陽(yáng)質(zhì)量以?xún)?nèi)的恒星，主序階段結(jié)束后，恒星核心的氫被用完，產(chǎn)生了一個(gè)氦的內(nèi)核，氦內(nèi)核外是密度更低的氫。由于核心的溫度不夠高，氦元素?zé)o法被點(diǎn)燃發(fā)生熱核反應(yīng)。于是，氦內(nèi)核首先向內(nèi)收縮，使核心得到加熱。這種反應(yīng)直接打破了恒星原本的穩(wěn)定狀態(tài)，使得恒星劇烈膨脹。由于恒星擴(kuò)張到較外部的部分首先被冷卻，恒星的表面溫度降低了，因此變得比原來(lái)更紅。這時(shí)的恒星會(huì)演化成為紅巨星。以太陽(yáng)為例，大約50億年后，太陽(yáng)將成為一顆紅巨星，那時(shí)太陽(yáng)會(huì)變大到現(xiàn)在的100倍，地球也會(huì)被太陽(yáng)吞嗤。

而在紅巨星內(nèi)部，氦的燃燒十分迅速，恒星核心的氦很快就會(huì)被燒盡，形成一個(gè)碳的內(nèi)核。這個(gè)碳內(nèi)核將持續(xù)收縮，密度越來(lái)越大，最終成為一顆體積很小、溫度很高（約10萬(wàn)攝氏度）的天體——白矮星。而原來(lái)恒星外部的殼層膨脹得很大，最后會(huì)與中心的白矮星脫離，擴(kuò)展到周?chē)目臻g中。這些氣體物質(zhì)被中心熾熱的白矮星電離，從而可以被我們觀測(cè)到。由于人們最初在望遠(yuǎn)鏡中看到這些彌散物質(zhì)很像行星，因此稱(chēng)之為行星狀星云。

行星狀星云還會(huì)繼續(xù)膨脹，最終被完全吹散，只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量來(lái)源，只能日益暗淡，成為不再發(fā)光的黑矮星。

質(zhì)量較大的恒星在主序階段結(jié)束后，同樣會(huì)有氦內(nèi)核燃燒的過(guò)程，并膨脹成為紅超巨星。不同于小質(zhì)量恒星的是，大質(zhì)量恒星的碳內(nèi)核也會(huì)被點(diǎn)燃，從而合成更重的氮、氧元素。質(zhì)量更大的恒星（8倍太陽(yáng)質(zhì)量以上）內(nèi)核中產(chǎn)生的新元素會(huì)一再被點(diǎn)燃，新的更重的元素組成的內(nèi)核相繼形成，內(nèi)核外包裹著一層層燃燒的不同元素的同心殼層。因此這些大質(zhì)量恒星還會(huì)制造出氖、鈉、鎂、硅等元素，直到內(nèi)核變成鐵為止。

此時(shí)的恒星再也無(wú)力支撐自身的引力，以極快的速度向內(nèi)坍縮，最終形成宇宙中的奇觀——超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)釋放巨大的能量，在爆發(fā)的瞬間，超新星的光度可以與整個(gè)星系的光度相比，天空中就像突然出現(xiàn)了一顆明亮的星星一樣。在超新星爆發(fā)后，原來(lái)恒星的外層物質(zhì)被拋到周?chē)挠钪婵臻g中，成為彌散的氣體星云，而中心則產(chǎn)生一個(gè)致密天體——中子星或者黑洞。

中子星是一種由中子組成的天體，密度極高，它的直徑僅有約10千米，但質(zhì)量卻和太陽(yáng)相當(dāng)。黑洞則是宇宙中最致密的天體，連光都無(wú)法逃脫它引力的束縛。

尾聲

超新星爆發(fā)的時(shí)候，很多比鐵更重的元素得以合成。這些元素不僅存在于地下的礦床里、人類(lèi)的身體中，它們的譜線還出現(xiàn)在了太陽(yáng)的光譜中。所以，我們的太陽(yáng)系很有可能就誕生于大質(zhì)量恒星死亡后的遺跡里。恒星誕生于星塵之中，終將歸于星塵之中。面對(duì)浩瀚無(wú)垠的宇宙，人類(lèi)只有意識(shí)到了自身的渺小，才有可能變得偉大。