_相对论_宇宙与时空_连载_恒星演化的归宿_白矮星_中子星和(精)

第 28卷第 6期大学物理 Vol . 28No . 62009年 6月 COLLEGE PHYSI CS June 2009

《相对论、宇宙与时空》连载

《相对论、宇宙与时空》连载⑥

———恒星演化的归宿 (白矮星、中子星和黑洞

赵峥

(北京师范大学物理系 , 北京 100875

1赫罗图

指向天空的望远镜发现 , 千亿计的恒星各式各样 , 它们不仅光度不同 , 颜色也各异 , 真是千姿百态、绚丽多彩 . 这里的光度 , 是指恒星的绝对光度 . 绝对光度反映 , 之后 , 恒星的真实亮度 , 释放出的光能 . . 恒星的颜色 , . (. Hertzs p rung 和美国天文学家罗素 (Russell 各自独立给出了一张表示恒星光度和表面温度的关系图 , 称为赫罗图 (图 1 . 注意 , 赫罗图反映的不是恒星在天空中的位置分布 , 而是它们的光度和温度之间的关系 . 由于温度是由光的颜色反映出来的 , 他们给每一个温度范围定义了一个光谱型 , 从高温的蓝星到低温的红星 , 依次分为 O 、 B 、 A 、 F 、

G 、 K 和 M 共 7个光谱型 . 我们的太阳属于黄

色的 G 型 , 表面温度约 6000K

[1— 5]

.

图 1赫罗图

光谱型的名字很难记 , 有人编了一个小故事 :一个年轻的天文学家初次用天文望远镜看星空 , 那五颜

六色的天体让他大为惊讶 , 不禁大喊道:“ Oh, be a

fine girl, kiss me ! ”

(哦 , 真像一位仙女 , 吻我吧 ! . 这句话的每个单词的第一个字母 , . , . , (红矮 . , 是黄色的恒星 , . 主星序的右上方有低温而巨大的红巨星 , 左下方有小而高温的白

矮星 , 它们属

于恒星演化的不同阶段 . 星际物质在万有引力作用下塌缩变热 , 点燃热核反应 , 成为主序星 , 在这里度过它们 99%的寿命 . 当恒星内部的氢合成氦的反应结束时 , 恒星离开主星序 , 膨胀成红巨星 . 然后再演变成白矮星 . 下面 , 我们将详细地介绍

这一演化过程 .

2恒星的演化

不同大小和颜色的恒星 , 实际上处于恒星演化的不同阶段

[1— 5]

. 宇宙诞生的初期 , 到处均匀分布着主

要由氢和氦组成的气体 , 在万有引力的作用下气体聚集成团 , 形成星体 . 聚集过程中它们的引力势能转化

为热能 , 使原本很冷 (温度约 100K 的物质温度升高 , 如果聚集成星体的气体

物质很多 , 多到相当于太

阳质量 (1. 99×1033

g 或大于太阳质量 , 引力势能转

化成的大量热能可使星体内部温度升高到 107

K , 从而点燃星体中氢的聚变反应 . 这时 , 一颗发光发热的恒星就诞生了 . 恒

星中氢聚变生成氦的热核反应 , 可以维持几十到几百亿年 , 这时 , 恒星处在一个长期稳定的阶段 , 这个时期约占恒星寿命的 99%. 这样的恒星在赫罗图中位于从左上方到右下方的主星序 , 称为

主序星 . 恒星在主星序上的位置由它的质量决定 . 主星序左上方的星质量较大 , 最大可到 100M ⊙ (M ⊙为太阳质量 . 右下方的星质量较小 , 最小不低于 0. 1

M ⊙ . 小于 0. 1M ⊙的星体 , 点燃不了氢的聚变反应 . 处

于主序星阶段的恒星 , 在主星序上的位置基本不移

58大学物理第 28卷

动 , 直至氢的聚变反应结束 , 恒星离开主星序为止 . 我

们的太阳就是这样一颗主序星 , 它的中心温度高达

115×107

K , 压强达到 3000亿个大气压 , 那里正进行着猛烈的热核反应 . 太阳在主序星阶段的寿命约为 100亿年 , 现在已经在主序星阶段燃烧了 50亿年 , 目前正处在它的中年时期 .

恒星的存在 , 一方面依赖于万有引力把物质聚集在一起 , 不致于漫天飞扬 , 另一方面则靠热核反应产生的热量 , 造成粒子迅速运动 , 产生排斥效应 , 使物质不致于收缩到一点 . 正是万有引力的吸引作用与热排斥作用这对矛盾的存在 , 保证了恒星的生存 .

当恒星中心部分的氢全部燃烧掉之后 , 恒星中部的热核反应就停止了 , 这时万有引力战胜了热排斥 , 星体开始收缩 . 由于恒星表面的温度远低于中心部分

(例如太阳中心部分温度为 115×107

K , 而表面温度只有 6000K , 那里还不曾发生过氢合成氦的热核反应 . 这时 , 随着星体的塌缩 , 高 , 那里的氢开始燃烧 , , 8

, , 氦聚合成碳 , 再合成氧 , 这些热核反应短暂而猛烈 , 像爆炸一样 , 称为“ 氦闪” . 这种过程大约经历 100万年 , 在整个天体演化中 , 这是一个很短的“ 瞬间” . 此后几亿年中 , 恒星进入一个短暂的平稳期 . 当中心部分的氦逐渐燃烧完之后 , 外

层氢的燃烧不断向更外部扩展 , 星体膨胀得越来越大 , 膨胀到原来的 10亿倍 . 由于外壳离高温的中心越来越远 , 恒星表面的温度逐渐降低 , 从黄色变成红色 . 由于体积巨大 , 这种红色巨星看来很明亮 . 著名的参宿四 (猎户座α, 星座中最亮的星编号为α, 其余依次为β, γ, … 、毕宿五 (金牛座图 2红巨星心宿二与太阳系大小的比较

α 、大角 (牧夫座α 和心宿二 (天蝎座α 都是这样的红巨星 (图 2 . 主序星演化成红巨星的过程 , 就是它在赫罗图中的位置离开主星序的过程 . 红巨星位于赫罗图中主星序的右上方 . 50亿年后 , 我们的太阳也将由主序星演化成这样的红巨星 , 膨胀的太阳将逐步

燃烧吞食掉水星、金星和地球 . 地球的轨道将被包在红巨星之内 , 海洋将全

部沸腾蒸干 , 地球的残骸将继续在红巨星内部公转 , 红巨星外层气体灼热而稀薄 , 比我们实验室中所能得到的最好的真空还要空 , 所以地球仍能存在 , 并继续转动 . 当然 , 生命已不可能在地球上生存 .

不过 , 50亿年后的人类 , 已经有极为发达的文明 . 回想一下 , 从自然科学诞生的哥白尼时代到现在 , 才经过了 500年 , 人类已经能够登月 , 50亿年后的人类将具有怎样的科技水平就不难想象了 . 那时的人类 , 肯定有能力迁移到其他星球去生存 . 银河系内有 1000亿 ~2000亿个太阳 , (既有

一个太阳的太阳系 , , 三 , . 从现 , , 其 , 可能更有利于生物的生存 . 总之 , 银河

系中肯定有大量适合人类生存的星球 , 未来的人类一定会有能力 , 迁移到新的星球上去生存 . 如果舍不得我们的故乡地球 , 也有可能把地球一起迁移到其他合适的太阳系去 . 例如可以设想在地球上造个巨大的喷嘴 , 像驾驶火箭一样驾驶地球 , 留下几个驾驶小组的人值班 , 其余的人则可用先进的冷冻技术冬眠 , 到达目的地后再从冬眠状态下复苏过来 .

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” . 一般

来说 , 恒星在望远镜中看是一个点 , 而行星离地球近 , 在望远镜中呈现为一个圆面 . 所谓“ 行星状星云” , 实际上是恒星周围的云状物质 , 在地球上用望远镜看 , 像行