對恒星演化和分類等知識做了較全面的介紹。與《地球檔案》《太陽簡史》《太陽系掠影》《彗星尋蹤》屬于同一系列。SPACE.com天文科普系列的翻譯到此告一段落。
原標(biāo)題為《恒星的形成、分類和星座》(Stars: Formation, Classification and Constellations)
恒星是巨大的,發(fā)光的等離子球體。
觀測簡史
天文學(xué)是研究宇宙的學(xué)問,可能是最古老的科學(xué),它從有記錄的文明開始就存在了,這是因?yàn)樾切墙?jīng)常在宗教信仰中扮演重要角色,而且對于導(dǎo)航至關(guān)重要。在17世紀(jì),望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明以及運(yùn)動和萬有引力定律的提出,讓人們意識到,星星其實(shí)和太陽相似,都遵循相同的物理定律。到了19世紀(jì),攝影技術(shù)和光譜學(xué)——研究目標(biāo)物體發(fā)射光的波長的學(xué)科——使得研究遙遠(yuǎn)的恒星的化學(xué)組成和變化成為了可能,使天體物理學(xué)得以發(fā)展。1937年,第一架射電望遠(yuǎn)鏡落成,讓天文學(xué)家能夠檢測到從恒星發(fā)射的不可見輻射。1990年,第一臺天基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡——哈勃太空望遠(yuǎn)鏡——成功發(fā)射,拍攝了最深的、最精細(xì)的宇宙可見光景象。
恒星的命名
古文明把天空中星星組成的圖樣,看成與人、動物或日常物體相似的東西——星座名稱就這樣從神話中提取出來作為形狀的代指,例如希臘神話中的英雄獵人奧利安(譯者注:Orion,即獵戶座)?,F(xiàn)代的天文學(xué)家和國際天文學(xué)聯(lián)合會(IAU)——天體命名的國際權(quán)威組織——在使用星座命名恒星時,公認(rèn)全天共有88個星座。一般來講,一個星座中最亮的星編號為α,作為它學(xué)術(shù)名稱的一部分;第二亮的星一般被指定為β;第三亮的是γ,以此類推,直到所有的希臘字母用盡,再使用數(shù)字編號繼續(xù)。
由于宇宙中有太多恒星了,所以IAU還使用了另一套不同的系統(tǒng)命名新發(fā)現(xiàn)的恒星。大部分都包含一個恒星類型或列有恒星相關(guān)信息的目錄的簡稱,之后是一組標(biāo)號。例如,PSR J1302-6350是一顆脈沖星(pulsar),所以用“PSR”?!癑”代表它使用的J2000坐標(biāo)系統(tǒng),“1302”和“6350”是與在地球上使用的緯度和經(jīng)度相似的坐標(biāo)值。
很多星星擁有古名稱——例如Aldebaran(畢宿五),在阿拉伯語中意為“追隨者”,因?yàn)樗雌饋砭拖裨谔炜罩凶冯S著昴星團(tuán),或者說七姐妹星團(tuán)似的。它們也有學(xué)術(shù)名稱——Aldebaran也被稱為金牛座α星。
一個年輕而絢麗的星群,看起來就像在天空炸開了一樣。這個星團(tuán)被星際氣體和塵埃包圍著,氣體和塵埃是用于形成新恒星的原料。這是船底座中的距離地球20000光年的一個星云,包含著一個巨大的、熾熱的中央星團(tuán),被稱作NGC3603。
圖片版權(quán)所有: NASA, ESA, R., F. Paresce, E. Young, 科學(xué)勘察委員會廣域攝影機(jī), 哈勃遺產(chǎn)團(tuán)隊(duì)。
形成
恒星起源于一個巨大的,緩慢旋轉(zhuǎn)的氣體云,完全或絕大部分由氫和氦組成。由于重力吸引,氣體云向內(nèi)坍縮,并隨著它的收縮,它自轉(zhuǎn)得越來越快,其靠外的部分形成了盤狀,而最內(nèi)的部分形成了大致呈球形的一團(tuán)。這個坍縮著的物體變得更加熾熱和致密,形成了一個球形的原恒星。當(dāng)原恒星中的熱量和壓力達(dá)到180萬華氏度(100萬攝氏度)時,在正常情況下原本分離的原子開始聚合,恒星就被點(diǎn)燃了。核聚變反應(yīng)能將取自這些原子的很小的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為非常巨大的能量——例如,1克質(zhì)量的物質(zhì)完全轉(zhuǎn)化后的能量,相當(dāng)于大約22000噸TNT爆炸產(chǎn)生的能量。
演化
恒星生命周期的模式,大部分取決于它們的初始質(zhì)量。這包括中等質(zhì)量恒星,例如我們的太陽,以及質(zhì)量為太陽的1/2到8倍的其它恒星,超過太陽8倍質(zhì)量的大質(zhì)量恒星,還有只有1/10到1/2太陽質(zhì)量的小質(zhì)量恒星。通常恒星的質(zhì)量越大,它的壽命就越短。小于1/10太陽質(zhì)量的星體不足以產(chǎn)生足夠的重力來點(diǎn)燃核聚變反應(yīng)——一些可能會成為不完全的恒星,即褐矮星。
一顆中質(zhì)量恒星從一團(tuán)星云開始,花費(fèi)10萬年的時間坍縮成一顆原恒星,其表面溫度為6750華氏度(3725攝氏度)。在氫聚變開始后,一顆金牛座T型恒星就形成了,這是一顆光度會發(fā)生變化的可見恒星。這顆恒星要繼續(xù)坍縮大約1000萬年,直到它由核反應(yīng)產(chǎn)生的能量導(dǎo)致的膨脹與它由重力導(dǎo)致的收縮相平衡,在突破這一點(diǎn)之后,它就成為了一顆完全從核心處的氫聚變獲取能量的主序星,
恒星的質(zhì)量越大,它消耗氫燃料的速度也就越快,它在主序中停留的時間也就越短。當(dāng)它核心的所有氫都轉(zhuǎn)化為氦時,恒星會迅速發(fā)生變化——由于沒有足夠的核反應(yīng)能量來支撐,重力作用會很快將物質(zhì)壓碎進(jìn)入核心,快速將恒星加熱。這使得恒星的外層急劇膨脹,并因冷卻而發(fā)出紅色的光,而成為了一顆紅巨星。氦開始在核心發(fā)生聚變,而一旦開始消耗氦,恒星的核心就會收縮而變得更熱,恒星的進(jìn)一步膨脹,會使得核心變得比以前更藍(lán)更亮,并吹散它的外層。當(dāng)膨脹的氣體外殼消散后,星核被留下,成為一顆白矮星。白矮星大部分由碳和氧組成,其內(nèi)部溫度大約為18萬華氏度(10萬攝氏度)。隨著白矮星變得沒有剩余的燃料用于聚變,它們會在之后的幾十億年中越來越冷,而成為難以被探測到的黑矮星。(我們的太陽會在大約50億年內(nèi)離開主序)。
大質(zhì)量恒星的形成和死亡都很快。這些恒星只花1萬到10萬年就結(jié)束了原恒星階段。在主序中,它們是熾熱而發(fā)藍(lán)光的,一些恒星的亮度能達(dá)到太陽的1000到100萬倍,直徑能達(dá)到太陽的大約10倍。當(dāng)它們離開主序時,它們會成為鮮紅色的超紅巨星,最終變得足夠熱,以至于能夠?qū)⑻季圩優(yōu)楦氐脑亍_@種聚變持續(xù)大約1萬年后,會造就一個寬約3800英里(6000公里)的鐵質(zhì)核心,而且由于進(jìn)一步的聚變只會消耗能量而不會讓它解體,核反應(yīng)產(chǎn)生的能量不再能夠反抗重力的作用,這顆恒星就走向了死亡。
當(dāng)這種恒星的鐵質(zhì)核心達(dá)1.4倍太陽質(zhì)量時,就會變成超新星。重力作用導(dǎo)致核心坍縮,使得核心溫度升高到將近180億華氏度(100億攝氏度),將鐵原子裂解成中子和中微子。在大約一秒鐘之內(nèi),核心迅速收縮到6英里寬(10公里),而且會像被壓縮的橡皮球一樣反彈,向核心以外的部分釋放出沖擊波,引起恒星外層發(fā)生核聚變。這顆恒星隨后發(fā)生爆炸,成為II型超新星。如果殘存的星核小于約3倍太陽質(zhì)量,它會成為一顆幾乎完全由中子構(gòu)成的中子星,旋轉(zhuǎn)著的中子星會發(fā)射出一束束可檢測到的電磁脈沖,這就是脈沖星。如果星核的質(zhì)量超過太陽的3倍,就沒有力量能夠支持它反抗重力的吸引了,它會坍縮成一個黑洞。
一顆低質(zhì)量恒星非常緩慢地使用著它的氫燃料,它們能夠作為主序星發(fā)光1000億年到1萬億年——由于宇宙只有137億年的歷史,所以還沒有低質(zhì)量恒星死亡。天文學(xué)家認(rèn)為這些被稱為紅矮星的恒星不會聚合氫以外的物質(zhì),這就意味著它們永遠(yuǎn)不會成為紅巨星。相對的,它們最終只是會變冷成為白矮星和黑矮星。
雙星系統(tǒng)和其它多星系統(tǒng)
雖然我們的太陽系只有一顆恒星,但其實(shí)大部分和我們太陽相似的恒星都不是單個的,而是由兩個恒星相互旋轉(zhuǎn)組成的雙星系統(tǒng),或者甚至包含更多恒星的多星系統(tǒng)。事實(shí)上只有1/3的恒星和我們的太陽一樣是單星,另外的2/3都是多星系統(tǒng)——例如,我們太陽系最近的鄰居,半人馬座比鄰星就是一個還包含半人馬座αA和半人馬座αB的多星系統(tǒng)的一員。像我們太陽一樣的G類恒星只占我們看到的所有恒星的7%——如果說到一般的系統(tǒng),銀河系中大約有30%是多星系統(tǒng),剩余的部分是單星系統(tǒng)。
雙星系統(tǒng)是從兩顆相鄰的原恒星發(fā)展來的。如果距離足夠近,雙星系統(tǒng)中的一個成員可以影響另一個,通過一種被稱為質(zhì)量轉(zhuǎn)移的方式抽離物質(zhì)。如果其中一個成員是巨恒星,而另一顆是中子星或黑洞,一個X射線雙星系統(tǒng)就形成了。在這個系統(tǒng)中,從另一個恒星上抽離的物質(zhì)可以變得超熱并發(fā)射X射線。如果一個雙星系統(tǒng)包含一個白矮星,從伴星上抽離的氣體會落在白矮星的表面,在一瞬間引發(fā)猛烈的聚變反應(yīng),即新星。有時,足夠的氣體會積累起來導(dǎo)致這顆矮星發(fā)生坍縮,使得它的碳原子幾乎能立即聚合,而爆炸成為I類超新星,它在幾個月內(nèi)的亮度能超過一個星系。
特征
亮度
天文學(xué)家用星等和光度來描述恒星的亮度。
星等分類的方法沿用了超過2000年,由古希臘天文學(xué)家Hipparchus于公元前125年創(chuàng)立。他將恒星按從地球上看到的亮度分組——最亮的那些稱為一等星,其次亮的稱為二等星,以此類推直到最暗的可見星六等星?,F(xiàn)代天文學(xué)家將從地球上觀察到的亮度稱為可視星等,但是由于恒星與地球的距離會影響觀察到的從它發(fā)出的光線,天文學(xué)家現(xiàn)在也使用絕對星等來描述恒星的實(shí)際亮度。絕對星等被定義為當(dāng)星體距地球10秒差距,或32.6光年時的可視星等?,F(xiàn)在星等的取值范圍已經(jīng)多過六等,低于一等,甚至下降到負(fù)值——夜空中最亮的星是天狼星,它的可視星等為-1.46。
光度是恒星的能量——代表它釋放能量的速度。盡管能量通常用瓦特來計(jì)量(但這個單位太小了)——例如太陽的光度為400億億億瓦——恒星的光度經(jīng)常以太陽的光度為單位來衡量。例如,半人馬座αA大約為1.3倍太陽光度。如果要根據(jù)絕對星等計(jì)算光度,應(yīng)知道每5個絕對星等的差距相當(dāng)于100倍的光度差距——例如一顆絕對星等為1的恒星,其光度是絕對星等為6的恒星的100倍。
恒星的亮度取決于它的表面溫度和大小。
顏色
恒星有一個顏色范圍,從淡紅色到淡黃色再到藍(lán)色。恒星的顏色取決于它的表面溫度。
恒星看起來可能是單一顏色的,但其實(shí)發(fā)出的是廣譜多色光,可能包含著從無線電波到紅外線到紫外線再到γ射線的所有波段。不同的元素或化合物吸收并釋放不同顏色的光波,通過對一個恒星的光譜進(jìn)行研究,我們能夠推測它可能的成分。
表面溫度
天文學(xué)家用開爾文(即開氏溫標(biāo),簡寫為K)作為恒星溫度的單位。0 K相當(dāng)于-273.15攝氏度,或-459.67華氏度。一顆暗紅色的恒星的表面溫度大約為2500 K(2225攝氏度,4040華氏度);一顆亮紅色的恒星,大約為3500 K(3225攝氏度,5840華氏度);太陽和其它黃色恒星,大約為5500 K(5225攝氏度,9440華氏度);一顆藍(lán)色恒星,大約10000 K(9725攝氏度,17540華氏度)到50000 K(49725攝氏度,89540華氏度)。
恒星的表面溫度部分取決于它的質(zhì)量,并影響它的亮度和顏色。具體來說,恒星的光度與溫度的四次方呈正比。例如,如果兩顆恒星的大小相同,但是在開氏溫標(biāo)下,一個比另一個的溫度高一倍,那么前者的光度將是后者的16倍。
大小
天文學(xué)家一般以太陽的半徑為基本單位表征恒星的大小。例如,半人馬座αA的半徑為1.05倍太陽半徑(原文用的是“radii”,是半徑“radius”的復(fù)數(shù)形式)。恒星的尺寸范圍從僅有12英里寬(20公里)的中子星到大約1000倍太陽直徑的超大恒星。
恒星的大小影響它的亮度。具體來說,光度與半徑的平方呈正比。例如,兩顆溫度相同的恒星,如果其中一顆恒星直徑是另一顆的2倍,那么前者的亮度是后者的4倍。
質(zhì)量
天文學(xué)家用太陽質(zhì)量為單位表征恒星質(zhì)量。例如,半人馬座αA為1.08倍太陽質(zhì)量。
相似質(zhì)量的恒星可能在大小上有所不同,因?yàn)樗鼈冇兄煌拿芏?。例如,天狼星B的質(zhì)量與太陽相當(dāng),但比太陽致密9萬倍,所以只有太陽直徑的1/50。
恒星的質(zhì)量會影響其表面溫度。
磁場
恒星是旋轉(zhuǎn)著的帶電氣態(tài)球體,所以會產(chǎn)生磁場。對于太陽,研究人員發(fā)現(xiàn)它的磁場在一些小區(qū)域內(nèi)高度集中,引發(fā)了太陽黑子和耀斑(日珥)、日冕等物質(zhì)噴射式的壯觀的爆炸景觀。然而直接探測其它恒星的磁場是很困難的。
金屬度
恒星的金屬度用于表征它含有的“金屬”的量——其實(shí)是所有比氦重的元素的量。
以金屬度劃分,恒星有三個世代。天文學(xué)家目前還沒有發(fā)現(xiàn)屬于最古老的世代的恒星——星族III的恒星在還沒有“金屬”的宇宙中誕生。當(dāng)這些恒星死亡時,它們會將重元素釋放到宇宙空間,星族II的恒星會整合進(jìn)相對較少量的重元素,而最年輕的星族I的恒星,和我們的太陽一樣,包含最大量的重元素。
分類
恒星根據(jù)它們的光譜被分為典型的幾類,這就是摩根-基南(Morgan-Keenan )分類法,即MK系統(tǒng)。有8個光譜類別,每一種類同于一個范圍內(nèi)的表面溫度——從最熱的到最冷的,分為O、B、A、F、G、K、M和L。每一個光譜類別包含10個光譜型,編號從最熱的0到最冷的9。
恒星在MK系統(tǒng)下,也經(jīng)常根據(jù)光度分類。最大的和最亮的一類恒星有最小的編號,用羅馬數(shù)字表示——Ia是高亮超巨恒星;Ib是超巨恒星;II是高亮巨恒星;III是巨恒星;IV是亞巨恒星;V是主序星或矮星。
一個完整的MK系統(tǒng)代號包含光譜類型和光度型兩部分——例如,太陽屬于G2V類恒星。
恒星結(jié)構(gòu)
恒星的結(jié)構(gòu)經(jīng)常被想象成一系列套在一起的薄層,就像洋蔥一樣。
一顆恒星其生命的絕大部分處于主序星階段,在這一階段它包含一個核心、輻射區(qū)和對流區(qū)、光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰帷:阈呛诵氖菫楹阈翘峁┠芰康乃泻司圩兎磻?yīng)發(fā)生之地。在輻射區(qū),核反應(yīng)釋放的能量以輻射的形式向外傳送,就像電燈泡散發(fā)熱量一樣。而在對流區(qū),能量通過熱氣體的流動被傳送,就像從吹風(fēng)機(jī)而來的熱風(fēng)一樣。比太陽質(zhì)量多幾倍的大質(zhì)量恒星在它們的核心區(qū)對流傳熱,而在外層輻射傳熱。與太陽質(zhì)量相當(dāng)或更小的恒星在核心區(qū)輻射傳熱,而在外層對流傳熱。A型光譜的中等質(zhì)量恒星可能全部采用輻射傳熱。
在這些區(qū)域之外,是恒星輻射可見光的部分,即光球?qū)樱话惚划?dāng)作是恒星的表面。再之外是色球?qū)樱@一層由于存在的氫元素而略呈紅色。最后,恒星大氣的最外層部分是日冕,這是一個由于外層對流導(dǎo)致的超熱區(qū)域。