[分享]第 十 六 章 --- 大 質 量 恆 星 之 死

[分享]第 十 六 章 --- 大 質 量 恆 星 之 死

E.T 於 星期日 五月 25, 2003 1:45 pm


第 十 六 章 --- 大 質 量 恆 星 之 死

在 前 一 章 , 我 們 討 論 過 質 量 和 太 陽 差 不 多 或 比 太 陽 小 的 恆 星 的 死 亡 , 現 在 我 們 將 會 看 看 大 質 量 恆 星 如 何 死 亡 及 其 中 一 個 可 能 歸 宿 ─ 中 子 星 。

超 紅 巨 星 及 超 新 星
假 若 恆 星 的 質 量 超 過 八 個 太 陽 質 量 的 話 , 它 會 怎 樣 演 化 呢 ? 由 於 質 量 更 大 , 恆 星 核 心 的 密 度 及 溫 度 亦 必 然 比 小 質 量 恆 星 高 , 所 以 熱 核 反 應 會 以 更 快 速 度 進 行 , 產 生 出 更 多 的 熱 能 , 恆 星 會 更 加 光 亮 , 這 些 恆 星 通 常 為 O 、 B 或 A 型 恆 星 。
和 其 他 恆 星 一 樣 , 大 質 量 恆 星 會 在 主 序 階 段 把 氫 轉 化 為 氦 。 有 趣 的 是 , 恆 星 質 量 越 大 , 壽 命 越 短 , 例 如 一 顆 相 等 於 15 個 太 陽 質 量 的 恆 星 , 便 只 有 一 千 萬 年 的 壽 命 。 由 於 大 質 量 恆 星 的 核 心 比 一 般 恆 星 更 熱 和 有 更 高 的 密 度 , 當 走 至 生 命 盡 頭 時 , 核 心 條 件 足 以 把 氦 繼 續 轉 化 為 碳 , 同 時 在 核 心 外 圍 形 成 一 個 氦 殼 。 在 恆 星 強 大 質 量 的 約 束 下 , 核 心 氦 聚 變 成 碳 的 過 程 能 穩 定 地 進 行 , 在 核 心 高 熱 的 煎 熬 下 , 恆 星 外 殼 會 極 度 膨 脹 ﹐ 成 為 比 紅 巨 星 更 巨 大 的 超 紅 巨 星 。

典 型 的 超 紅 巨 星 比 普 通 紅 巨 星 大 上 100 倍 , 雖 然 表 面 溫 度 低 , 但 整 體 光 度 仍 然 非 常 高 , 絕 對 星 等 可 達 -10 ( 太 陽 的 絕 對 星 等 只 有 4.8 ) 。

情 況 很 像 燃 燒 氦 , 強 大 的 引 力 足 以 在 核 心 燃 點 起 碳 , 而 同 時 維 持 星 體 穩 定 。 核 心 物 質 不 斷 聚 變 為 更 重 的 元 素 , 直 至 成 為 鐵 。 我 們 相 信 在 地 球 上 常 見 的 重 元 素 , 例 如 氧 、 氦 、 矽 等 , 其 實 是 在 遙 遠 的 過 去 , 在 一 顆 恆 星 的 內 部 以 這 個 機 制 產 生 的 。 鐵 其 實 是 熱 核 反 應 的 終 站 。 氫 轉 化 為 氦 會 產 生 能 量 , 但 要 把 鐵 結 合 成 更 重 的 元 素 時 , 卻 反 而 要 吸 收 能 量 , 這 也 是 為 甚 麼 我 們 把 如 鈾 等 重 元 素 分 裂 成 較 輕 元 素 時 , 可 以 產 生 能 量 的 原 因 。

由 於 繼 續 燃 燒 鐵 的 核 反 應 反 而 需 要 能 量 , 所 以 恆 星 核 心 產 生 能 量 的 能 力 便 會 戛 然 而 止 , 核 心 的 壓 力 驟 降 。 當 核 心 積 聚 了 足 夠 的 鐵 後 ﹐ 在 百 分 一 秒 之 內 , 核 心 會 毀 滅 性 地 猛 烈 收 縮 , 同 時 把 核 心 溫 度 提 高 。 所 有 尚 未 使 用 的 燃 料 會 迅 速 核 聚 變 成 鐵 或 鎳 。 核 心 的 外 殼 會 塌 縮 在 核 心 上 , 電 子 和 質 子 會 結 合 成 中 子 , 並 放 出 中 微 子 。 中 微 子 是 亞 原 子 粒 子 , 它 們 差 不 多 不 會 和 任 何 物 質 產 生 反 應 , 所 以 恆 星 對 它 們 來 說 是 透 明 的 。 大 部 分 塌 縮 所 產 生 的 能 量 便 是 由 中 微 子 帶 走 。

由 於 原 子 核 的 天 然 密 度 會 成 為 巨 大 的 阻 力 , 防 止 核 心 進 一 步 收 縮 , 這 時 核 心 會 猛 烈 反 彈 , 以 極 高 速 塌 縮 的 核 心 外 殼 會 和 反 彈 中 的 核 心 碰 撞 , 產 生 強 烈 的 衝 擊 波 , 同 時 產 生 出 像 鈾 等 比 鐵 更 重 的 元 素 , 並 把 恆 星 外 殼 炸 毀 , 這 便 是 II 型 超 新 星 ( I 型 超 新 星 其 實 只 是 強 度 足 以 把 中 心 白 矮 星 炸 毀 的 普 通 新 星 爆 發 ) 。

超 新 星 爆 發 十 分 激 烈 , 恆 星 的 亮 度 可 以 暴 增 15 等 , 是 宇 宙 中 最 璀 璨 的 天 文 現 象 。 近 年 來 可 以 用 肉 眼 看 到 的 超 新 星 爆 發 , 發 生 在 一 個 稱 為 大 麥 哲 倫 雲 的 小 星 系 內 的 SN1987A 。可 惜 的 是 , 大 麥 哲 倫 雲 位 於 南 天 極 附 近 , 結 果 住 在 香 港 的 市 民 無 緣 得 見 。

公 元 1054 年 , 宋 朝 天 文 學 家 目 睹 在 現 今 金 牛 座 天 區 出 現 了 一 顆 客 星 , 這 顆 突 然 出 現 的 星 異 常 光 亮 , 在 隨 後 兩 個 月 的 早 上 也 可 以 看 見 , 這 顆 客 星 便 是 我 們 所 說 的 超 新 星 。

當 年 超 新 星 爆 發 出 來 的 殘 跡 ﹐ 還 形 成 了 現 今 用 小 型 望 遠 鏡 都 可 以 看 得 見 的 M1 蟹 狀 星 雲 。 蟹 狀 星 雲 仍 然 在 膨 脹 ﹐ 最 終 會 溶 入 星 際 物 質 而 消 散 。

天 文 學 家 每 年 會 發 現 十 數 至 數 十 顆 超 新 星 , 但 大 部 分 都 位 於 偏 遠 而 暗 淡 的 河 外 星 系 , 這 是 1994 年 在 M51 發 現 的 超 新 星 。

恆 星 在 超 新 星 爆 發 後 又 如 何 呢 ? 這 便 取 決 於 恆 星 剩 餘 核 心 的 質 量 。 在 大 爆 炸 後 , 若 剩 餘 質 量 少 於 1.4 個 太 陽 質 量 , 便 會 成 為 白 矮 星 ; 若 質 量 介 乎 1.4 至 大 約 3 個 太 陽 質 量 , 便 會 成 為 中 子 星 ; 若 質 量 更 大 , 便 會 成 為 黑 洞 。 下 圖 顯 示 了 不 同 質 量 恆 星 的 死 亡 路 徑 。

中 子 星 與 脈 沖 星
假 若 在 超 新 星 爆 發 後 , 剩 餘 核 心 質 量 介 乎 太 陽 質 量 的 1.4 至 3 倍 , 那 麼 核 心 中 的 電 子 簡 併 壓 力 便 再 不 足 以 抵 抗 強 大 的 引 力 , 恆 星 會 進 一 步 收 縮 , 直 至 電 子 亦 被 擠 壓 至 原 子 核 內 , 和 質 子 結 合 成 為 中 子 。 而 中 子 簡 併 壓 力 則 足 以 防 止 恆 星 進 一 步 收 縮 ﹐ (同 電 子 簡 併 壓 力 一 樣 ﹐ 中 子 簡 併 壓 力 並 非 來 自 核 子 反 應 ﹐ 它 可 永 遠 扺 抗 恆 星 的 引 力 收 縮 。 ) 一 顆 中 子 星 便 在 宇 宙 中 誕 生 。
中 子 星 中 95 - 99% 的 成 分 是 中 子 , 但 仍 有 少 量 的 質 子 和 電 子 。 一 般 半 徑 約 為 8 至 16 公 里 , 和 香 港 島 的 大 小 差 不 多 。 由 於 引 力 場 實 在 太 強 大 , 任 何 山 脈 高 山 皆 會 被 引 力 蕩 平 , 所 以 中 子 星 的 表 面 十 分 光 滑 。

我 們 相 信 中 子 星 有 一 層 約 一 公 里 厚 由 重 原 子 核 組 成 的 外 星 殼 , 之 下 是 一 層 呈 液 態 的 中 子 流 質 , 最 後 可 能 是 一 個 固 體 核 心 。

中 子 星 另 一 個 非 常 重 要 的 特 性 是 它 擁 有 極 強 的 磁 場 , 可 以 比 地 球 磁 場 強 108 至 1015 倍 。 當 電 子 以 螺 旋 軌 道 繞 著 磁 力 線 移 動 , 便 會 沿 著 兩 個 磁 極 向 外 發 射 出 無 線 電 波 。

通 常 恆 星 的 自 轉 軸 和 磁 軸 並 不 一 致 , 中 子 星 亦 不 例 外 , 所 以 沿 著 磁 軸 向 外 發 射 的 無 線 電 波 束 , 在 中 子 星 自 轉 的 帶 動 下 , 便 會 如 燈 塔 般 向 宇 宙 掃 射 , 這 便 是 著 名 的 燈 塔 效 應 。 當 地 球 位 於 這 些 宇 宙 「 燈 塔 」 掃 過 的 範 圍 , 便 會 收 到 極 端 規 律 的 無 線 電 波 訊 號 , 這 便 是 脈 沖 星 , 在 蟹 狀 星 雲 中 心 便 有 一 顆 。

當 第 一 顆 脈 沖 星 在 60 年 代 被 發 現 的 時 候 , 天 文 學 家 起 初 誤 以 為 這 些 訊 號 來 自 另 一 個 天 外 文 明 ﹐ 後 來 發 現 不 對 後 便 產 生 了 一 個 更 嚴 重 的 問 題 。 有 些 脈 沖 星 稱 為 毫 秒 脈 沖 星 , 其 自 轉 周 期 可 短 至 0.001 秒 ! 有 甚 麼 物 體 可 以 如 此 飛 快 轉 動 而 不 會 因 而 解 體 ? 中 子 星 的 超 強 引 力 提 供 了 最 佳 的 解 答 。

由 於 中 子 星 非 常 沉 重 , 所 以 它 的 自 轉 周 期 非 常 規 律 , 有 些 中 子 星 的 脈 沖 周 期 可 以 準 確 至 小 數 後 十 個 位 , 因 此 , 就 算 中 子 星 出 現 輕 微 的 異 動 , 天 文 學 家 亦 可 以 觀 察 得 到 。 例 如 假 若 有 一 顆 行 星 圍 繞 一 顆 中 子 星 運 行 , 它 會 令 中 子 星 出 現 搖 動 , 引 致 脈 沖 的 間 隔 變 長 或 短 , 由 此 我 們 根 據 脈 沖 周 期 的 變 化 , 可 推 斷 出 行 星 的 質 量 和 軌 道 半 徑 , 這 亦 是 天 文 學 家 找 出 第 一 顆 地 外 行 星 時 所 用 的 方 法 。

以 上 的 討 論 都 是 基 於 單 星 系 統 的 , 其 實 宇 宙 中 存 在 不 少 有 趣 的 中 子 星 雙 星 系 統 。 例 如 假 若 有 一 顆 中 子 星 的 伴 星 為 巨 星 , 那 麼 物 質 便 會 由 巨 星 流 入 中 子 星 並 放 射 出 X 射 線 , 成 為 X 射 線 脈 沖 星 。
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E.T

 
文章: 1486
註冊時間: 2003-03-29
來自: 香港

Searchtruth 於 星期四 六月 19, 2003 10:41 pm


不是又有發現"極超新星"ㄇ?^^"
能力更強~^^||

Searchtruth
訪客
 

E.T 於 星期五 六月 20, 2003 1:02 pm


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E.T

 
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Raceleader 於 星期五 六月 20, 2003 1:41 pm


如果這篇文章早一點出現便好了,可作功課的參考文章

Raceleader
訪客
 






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