恒星的演变

恒星的演化

社会工作11-1班 09号 高丹

内容摘要：恒星演化就是一颗恒星诞生后，在引力、压力和核反应的作用下，恒星结构随时间而变化，直至能量耗尽，变为简并星或黑洞的过程。恒星演化是是十分缓慢的过程，我们根据对各种各样的恒星的观测和理论研究，弄清楚了恒星的一生是怎样从孕育到诞生，再从成长到成熟，最后到衰老、死亡的整个过程。本文对恒星由星云中诞生、经过主序星红巨星阶段、逐渐步入晚期，到最后演化成白矮星、中子星、黑洞的整个过程进行了一个概述。 Abstract: stellar evolution after the birth of a star, gravity, pressure, and the role of the nuclear reaction, the stellar structure over time change until the energy is exhausted into the process of degenerate star or black hole. Stellar evolution is very slow process, based on observational and theoretical studies of a variety of stars, clear how the star's life is from conception to birth, and then grow to maturity, and finally to the aging and death throughout the process. Of stars born from the nebula gradually into the late main sequence star red giant phase, and finally evolved into white dwarfs, neutron stars, the whole process of the black hole, an overview.

关键字：恒星演化、星云、原恒星、主序星、红巨星、爆炸、超新星、中子星、白矮星、黑洞

Keywords: evolution of stars, nebula, protostar, main sequence stars, red giants, explosion, supernovae, neutron stars, white dwarfs, black holes

一、 恒星的诞生

恒星最初诞生于太空中的星际尘埃，科学家形象地称之为“星云”或者“星际云”，其主要成分由氢组成，密度极小，但体积和质量巨大。此过程分为两个阶段：一：星云坍缩为原恒星。此过程中引力起支配作用，表现为物质处于自由下落状态的快收缩过程。星云的密度增大，温度升高，当核区温度升高到2 000 K 时, 氢分子开始分解成氢原子, 同时吸收大量的热量, 促使中心区域坍缩为一个体积更小、 密度更大的新内核, 也就是原恒星。二：原恒星进而坍缩为恒星的慢收缩阶段。当所有分子氢都离解完时, 吸热机制消失,但收缩仍在持续进行, 而原恒星物质所受到的引力(向内)与辐射压力(向外)近乎势均力敌。收缩使热量增加, 其中一部分辐射逸出原恒星外, 其余部分使原恒星物质温度进一步上升。当温度升高到700 万度或更高时, 核区开始出现氢聚变为氦的热核反应, 这一反应所产生的热量足以与向外逸出的热量相当, 慢收缩过程结束, 而原恒星便演变为一颗真正的恒星—— 主序星。

二、 恒星的青年

主序星阶段是一个相对稳定的长时期，此过程是恒星以内部氢氦聚变为主要能源的发展阶段，是恒星的 “青年时代” ， 也是恒星一生中最长的黄金阶段，占据了它整个寿命的 90%。这段时间， 恒星相对稳定，向外膨胀和向内收缩的两种力大致平衡，恒星基本上不收缩也不膨胀， 并且以几乎不变的恒定光度（ 所谓“ 光度” ， 就是指从恒星表面以光的形式

辐射出的功率） 发光发热， 照亮周围的宇宙空间。但在其内部内部进行着剧烈的氢核聚变为氦核的反应，核反应产生的热能全部用于热和电磁辐射及微粒子辐射，恒星温度不变，在主序上的位置也不变，在中心的氢耗尽时 逐渐形成一个不再产能的氦核 ，使其温度不再改变即同温，当同温氦核质量达到恒星质量的10%—15% 时 ,同温氦核开始顶不住星体的自吸引氦核会猛烈坍缩 ,释放出巨大的引力能。但是质量越大的恒星在主序上停留的时间越短，1924年，爱丁顿发现：一个处在辐射平衡状态的理想气态球，其光度与质量的3.5次方成正比。恒星的寿命＝燃料储备/燃料消耗率，燃料储备∝质量，燃料消耗率∝光度。一般，

10-2.510质量为M的主序星，寿命为10年×M。质量大于60M⊙的恒星，在主序的生存期短于10

-2.5 5年×60，即3.6×10年。

三、 恒星的中年

当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星阶段，步入中年期时，它将首先变为一颗红巨星。

称它为“巨星”，是突出它的体积巨大。在巨星阶段，恒星的体积将膨胀到十亿倍之多。它为“红”巨星，是因为在这恒星迅速膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，所以温度将随之而降低，发出的光也就越来越偏红。不过，虽然温度降低了一些，可红巨星的体积是如此之大，它的光度也变得很大，极为明亮。肉眼看到的最亮的星中，许多都是红巨星。红巨星的外层大气虽然在膨胀和冷却,而它的星核却由于引力而在收缩形成镜像反应,核的密度和温度在不断升高。当星核温度超过1亿K时,星核中的氢元素被点燃,发生以氦为原料的核聚变。在一些质量较小的恒星上,氦的核聚变是突然发生的,即氦闪。

（一）、大质量恒星-红超巨星-超新星爆发

通常，当恒星质量大于4M⊙时，恒星可能会向红超巨星转化。在主星序末期，氢聚变的热核反应无法在中心区进行，星体塌缩，温度急剧上升。中心氦核温度可高达1亿度。此时恒星可发生两种核反应。其一是紧邻中心氦核的氢氦混合气体受热后重新引发氢聚变，氢燃烧层会逐渐向外扩展。其二是氦核处发生的三个氦原子聚变成一个碳原子的聚变反应。由于两种核聚变产生的巨大能量以及氢聚变向外扩展的趋势，恒星的半径将比红巨星又增大许多倍，表面温度也由几万度降至三四千度，成为红超巨星。较普通红巨星而言，红超巨星半径要大的多，其用于外层膨胀所消耗的能量要多得多，因此红超巨星的表面温度会更低些。此阶段过后，红巨星会发生爆炸，将其外壳物质抛散到宇宙空间中。大质量恒星会发生猛烈的大规模爆炸，当恒星爆炸时的绝对光度超过太阳的100倍（中心温度可达100亿度），即新星爆发时光度的10万倍时，这种爆发就被称为超新星爆发。

（二）、较小质量（类太阳）恒星-红巨星

质量小的恒星，中心温度将不足以点燃氦聚变，它会在红巨星阶段停留很长时间，但是总有一天它也会爆发。

四、 恒星的晚年

当外部区域迅速膨胀时，氦核受反作用力却强烈向内收缩，被压缩的物质不断变热，最终内核温度将超过一亿度，点燃氦聚变。最后的结局将在中心形成一颗白矮星。

白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。比如天狼星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积比地球大不了多少，但质量却和太阳差不多！也就是说，它的密度在1000万吨/立方米左右。

白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。当红巨星的外部区域迅速膨胀时，氦核受反作用力却强烈向内收缩，被压缩的物质不断变热，最终内核温度将超过一亿度，于是氦开始聚变成碳。经过几百万年，氦核燃烧殆尽，现在恒星的结构组成已经不那么简单了：外壳仍然是以氢为主的混和物；而在它下面有一个氦层，氦层内部还埋有一个碳球。核反应过程变得更加复杂，中心附近的温度继续

上升，最终使碳转变为其他元素。与此同时，红巨星外部开始发生不稳定的脉动振荡：恒星半径时而变大，时而又缩小，稳定的主星序恒星变为极不稳定的巨大火球，火球内部的核反应也越来越趋于不稳定，忽而强烈，忽而微弱。此时的恒星内部核心实际上密度已经增大到每立方厘米十吨左右，我们可以说，此时，在红巨星内部，已经诞生了一颗白矮星。

当恒星的质量大于1.44倍太阳质量时，自身引力的剧烈坍缩把核心处的物质压得更紧。此时简并电子气体的压力不足以抗衡引力，电子就被压进原子核，与质子结合成中子。当恒星的密度高达1017Kg/m 3时，中子数量增加，导致原子瓦解，中子从核中分离出来，成为自由中子气进入了中子简并态。简并中子气所形成的压力远大于简并电子压，它与坍缩的引力抗衡形成了稳定的中子星。中子星并不是恒星的最终状态，它还要进一步演化。由于它温度很高，能量消耗也很快，因此，它的寿命只有几亿年。当它的能量消耗完以后，中子星将变成不发光的黑矮星。

五、 归宿

黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程；恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩，发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止，被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下，由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去，中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末，剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。由于高密度而产生的力量，使得任何靠近它的物体都会被它吸进去，黑洞就变得像真空吸尘器一样。亦可以简单理解：通常恒星的最初只含氢元素，恒星内部的氢原子时刻相互碰撞，发生裂变、聚变。由于恒星质量很大，裂变与聚变产生的能量与恒星万有引力抗衡，以维持恒星结构的稳定。由于裂变与聚变，氢原子内部结构最终发生改变，破裂并组成新的元素——氦元素。接着，氦原子也参与裂变与聚变，改变结构，生成锂元素。如此类推，按照元素周期表的顺序，会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至铁元素生成，该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定不能参与裂变或聚变，而铁元素存在于恒星内部，导致恒星内部不具有足够的能量与质量巨大的恒星的万有引力抗衡，从而引发恒星坍塌，最终形成黑洞。

就这样， 恒星来之于星云， 又归之于星云， 走完它辉煌的一生。“黑洞”无疑是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文学说之一。许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着，新的理论也不断地提出。我们有理由相信这一科学预言终将会得到实践的证实。

参考文献：

张建忠：恒星的演化与物理过程（集宁师专学报20005,4）

虞志奇：恒星演化的主要阶段及其特点（地理教育2006,4）

鲁道夫.基彭哈恩.千亿个太进[M].湖南:湖南科学技术出版社.

(2001).37-41

戴剑锋等，《物理发展与科技进步》[M]北京：化学工业出版社，（2005）54-64