[分享]第 十 四 章 --- 恆 星 的 誕 生

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E.T 於 星期四 四月 17, 2003 12:04 pm


第 十 四 章 --- 恆 星 的 誕 生

相 對 於 恆 星 的 一 生 , 人 類 的 生 命 實 無 異 於 曇 花 一 現 。 要 以 有 涯 逐 無 涯 , 人 類 唯 有 研 究 大 量 的 恆 星 , 再 嘗 試 找 出 恆 星 的 演 化 過 程 , 赫 ─ 羅 圖 便 是 最 重 要 的 研 究 工 具 。 簡 單 來 說 , 赫 ─ 羅 圖 把 大 量 恆 星 的 絕 對 星 等 和 表 面 溫 度 ( 或 譜 型 ) 關 係 以 圖 表 方 式 顯 示 出 來 。 由 赫 ─ 羅 圖 推 導 , 天 文 學 家 才 得 知 原 來 恆 星 一 生 90% 的 時 間 , 都 在 主 序 階 段 渡 過 。

恆 星 的 誕 生

宇 宙 中 星 羅 棋 佈 著 由 氣 體 及 塵 埃 等 細 小 粒 子 所 組 成 的 星 際 雲 , 假 若 這 些 星 際 物 質 可 以 看 得 到 , 我 們 便 稱 之 為 星 雲 , 下 圖 是 著 名 的 鷹 星 雲 :

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星 際 雲 可 以 極 度 龐 大 和 擁 有 極 大 質 量 , 直 徑 可 達 一 千 光 年 , 質 量 相 等 於 十 個 至 一 千 個 太 陽 質 量 ( 以 太 陽 的 質 量 為 比 較 標 準 , 是 天 文 學 家 常 用 的 恆 星 質 量 單 位 ﹐ 大 約 等 於 2x1030 千 克 ) 不 等 。如 上 一 章 所 述 , 這 些 星 際 雲 密 度 很 低 , 成 分 主 要 是 氫 。

在 不 受 干 擾 的 情 況 下 , 這 些 星 際 雲 可 以 千 載 不 變 。 但 是 , 在 宇 宙 中 又 有 誰 可 獨 善 其 身 ? 這 些 干 擾 可 以 來 自 星 系 碰 撞 、 處 身 星 系 所 產 生 的 密 度 波 、 超 新 星 爆 發 的 激 波 , 甚 或 在 附 近 誕 生 的 恆 星 。

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星 際 雲 中 輕 微 的 密 度 變 化 , 皆 會 引 致 星 雲 產 生 重 力 收 縮 , 最 後 形 成 一 個 稱 為 原 恆 星 的 球 體 。 由 於 在 原 恆 星 的 核 心 尚 未 發 生 核 聚 變 , 它 們 仍 不 能 稱 為 真 正 的 恆 星 。 相 等 於 十 至 二 十 個 太 陽 質 量 的 大 質 量 恆 星 , 需 要 大 概 一 萬 年 才 能 收 縮 至 太 陽 系 般 大 小 , 再 成 為 O 或 B 型 星 。 較 小 質 量 恆 星 會 成 為 金 牛 座 T 型 星 , 這 類 星 最 後 會 演 化 為 G 、 K 或 M 型 恆 星 , 金 牛 座 T 型 星 為 表 面 溫 度 低 而 非 常 年 青 的 恆 星 , 四 周 被 星 雲 所 圍 繞 , 所 以 這 種 星 顏 色 偏 紅 , 較 容 易 在 紅 外 線 波 段 找 到 ( 一 個 普 遍 的 原 則 是 , 如 果 活 動 越 激 烈 , 則 所 放 出 的 光 波 波 長 越 短 , 主 要 會 為 伽 瑪 或 X 射 線 ; 如 果 活 動 溫 和 , 則 會 發 放 出 如 無 線 電 波 或 紅 外 線 等 長 波 長 電 磁 波 ) 。

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原 恆 星 的 理 論 模 型 顯 示 它 們 會 有 吸 積 盤 和 噴 流 , 這 些 噴 流 不 會 長 久 存 在 , 只 維 持 約 十 萬 年 左 右 , 假 若 氣 體 和 塵 埃 把 新 生 恆 星 完 全 覆 蓋 , 我 們 便 看 不 到 中 心 的 恆 星 , 而 只 能 看 到 噴 流 在 兩 邊 所 造 成 的 雲 團 。

如 果 一 顆 原 恆 星 的 質 量 只 是 比 行 星 大 少 許 , 它 的 中 心 便 不 能 產 生 熱 聚 變 , 成 為 一 顆 昏 暗 而 難 以 被 發 現 的 棕 矮 星 。 如 果 原 行 星 質 量 足 夠 大 ( 下 限 約 為 0.1 個 太 陽 質 量 , 要 注 意 的 是 , 不 同 的 理 論 模 型 會 給 出 不 同 的 下 限 ) , 原 恆 星 會 不 斷 變 熱 , 直 至 核 心 部 分 足 夠 熱 和 高 壓 , 令 氫 原 子 核 克 服 質 子 間 的 電 排 斥 力 , 產 生 核 聚 變 , 成 為 一 顆 真 正 的 恆 星 。 恆 星 所 產 生 的 光 和 熱 , 會 推 開 四 周 的 氣 體 和 塵 埃 , 吸 積 盤 會 斷 續 存 在 , 最 後 塌 縮 成 圍 繞 這 顆 恆 星 運 行 的 行 星 。 我 們 在 數 年 前 才 發 現 到 這 些 原 恆 星 的 吸 積 盤 。

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恆 星 內 部 所 產 生 的 高 溫 , 會 令 粒 子 急 劇 運 動 , 產 生 向 外 的 氣 體 壓 力 , 再 加 上 光 子 的 輻 射 壓 力 ﹐ 抵 消 掉 向 內 的 引 力 , 令 恆 星 保 持 穩 定 , 進 入 主 序 星 階 段 。

主 序 階 段 的 赫 ─ 羅 圖

我 們 可 以 把 恆 星 的 演 化 軌 跡 繪 畫 在 赫 ─ 羅 圖 上 , 你 將 會 發 現 恆 星 的 質 量 是 主 宰 其 命 運 的 決 定 性 因 素 。

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在 星 際 雲 收 縮 之 前 , 它 非 常 冰 冷 , 所 以 在 這 個 階 段 , 星 際 雲 會 位 於 赫 ─ 羅 圖 上 一 個 極 右 的 位 置 。 當 星 際 雲 收 縮 , 它 會 變 得 越 來 越 熱 , 而 它 在 赫 ─ 羅 圖 上 的 位 置 亦 會 向 左 移 動 ( 注 意 : 恆 星 在 赫 ─ 羅 圖 上 的 位 置 顯 示 了 它 們 的 物 理 特 性 , 而 非 其 在 天 空 的 位 置 ) 。 每 單 位 面 積 的 光 度 會 隨 著 恆 星 的 溫 度 增 加 而 上 升 , 但 假 若 恆 星 / 原 恆 星 質 量 不 足 , 它 的 光 度 會 由 於 星 體 體 積 下 降 過 速 而 不 升 反 減 。 這 個 收 縮 過 程 需 要 十 萬 至 一 億 年 , 才 能 演 化 成 一 顆 主 序 星 。 一 般 恆 星 會 在 主 序 星 階 段 逗 留 一 百 萬 至 一 百 億 年 。

在 原 恆 星 階 段 , 星 體 的 能 量 主 要 來 自 星 際 雲 引 力 塌 縮 時 所 釋 放 的 位 能 , 猶 如 樹 上 的 蘋 果 會 向 下 掉 一 樣 。 只 要 星 體 進 入 主 序 星 階 段 , 能 量 轉 為 來 自 核 聚 變 ( 相 反 地 ﹐ 地 球 上 的 核 電 廠 使 用 的 是 核 裂 變 , 即 大 原 子 核 分 裂 為 眾 多 小 原 子 核 , 過 程 中 釋 放 能 量 的 機 制 ) 。

若 星 體 質 量 小 於 太 陽 質 量 的 1.1 倍 , 星 體 中 心 的 溫 度 將 會 少 於 一 千 五 百 萬 絕 對 溫 度 , 核 聚 變 主 要 以 p-p 鏈 進 行 , 將 四 顆 氫 原 子 核 結 合 為 一 顆 氦 原 子 核 , 恆 星 會 有 輻 射 核 心 和 一 個 對 流 外 殼 ﹐ 就 像 我 們 的 太 陽 。 ( 請 參 閱 第 十 一 章 ) 。

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假 若 星 體 質 量 更 大 , 核 聚 變 便 會 主 要 以 碳 氮 氧 循 環 ( CNO 循 環 ) 的 方 式 進 行 , 這 循 環 所 造 成 的 結 果 和 質 子 ─ 質 子 鏈 沒 有 分 別 , 都 是 把 四 顆 氫 原 子 核 結 合 為 一 顆 氦 原 子 核 ﹐ 碳 的 作 用 猶 如 催 化 劑 。 但 因 碳 原 子 核 帶 的 電 荷 是 氫 原 子 核 的 六 倍 ﹐ 碳 氮 氧 循 環 需 要 只 有 質 量 大 星 體 所 能 提 供 的 較 高 溫 度 和 壓 力 才 能 維 持 。 ( 有 興 趣 的 讀 者 可 參 閱 課 本 中 關 於 質 子 ─ 質 子 鏈 和 碳 氮 氧 循 環 的 詳 細 討 論 。 )

碳 氮 氧 循 環 的 反 應 比 較 快 , 可 以 產 生 更 多 能 量 ﹐ 而 只 有 對 流 核 心 能 將 這 些 多 的 能 量 有 效 地 傳 遞 出 去 。 在 這 些 星 體 較 外 層 的 氣 體 仍 然 很 熱 和 比 較 透 明 ﹐ 所 以 輻 射 傳 播 是 一 個 有 效 的 傳 遞 方 法 ﹐ 結 果 是 這 些 恆 星 會 有 一 個 對 流 核 心 和 輻 射 外 殼 。

恆 星 一 生 大 部 分 時 間 都 在 主 序 階 段 度 過 。 對 於 大 質 量 的 恆 星 , 由 於 它 們 的 核 反 應 速 率 很 快 , 大 約 一 百 萬 年 便 會 把 核 心 的 燃 料 耗 盡 ; 而 較 小 質 量 恆 星 的 壽 命 便 長 得 多 , 可 達 數 百 億 年
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E.T

 
文章: 1486
註冊時間: 2003-03-29
來自: 香港






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