《宇宙的起源》2第二讲 恒星的产生与消亡

宇宙的起源第二讲恒星的产生与消亡恒星是怎样产生的？又是如何演化的？最终怎样走向消亡？恒星的产生与消亡恒星恒星的诞生恒星的演化与消亡恒星

凡是由炽热气态物质组成,能自行发热发光的球形或接近球形的天体都可以称为恒星。

晴夜，我们用肉眼可以看到约三千颗恒星，但这只不过是巨大冰山的一角，恒星统治着整个宇宙。银河系就有2000亿颗恒星，在目前可观测到的宇宙空间中，就有超过1000亿个河外星系。理论物理学家劳伦斯·克劳斯教授说道：“我们身体里的每一个原子，都是在恒星炙热的内核中产生的”。加来道雄教授描述道：“我们的命运与恒星的命运紧密相连”。恒星在暴力中诞生，在壮丽的大爆炸中死去；每一颗恒星都威力无穷1，它们创造的基本物质，组成了宇宙万物，其中也包括人类。给予我们光明和温暖的太阳光，其实不过是一种星光。

大多数恒星由于距离遥远，我们对它们知之甚少，但有一颗恒星离我们很近，事实上我们对恒星的所有认知，都来源于这个近邻。近四十六亿年以来，这个由炽热气体组成的星球，始终照耀并主宰着地球的万物。太阳的直径约为140万公里，而与其它更大的恒星相比，太阳的确微不足道，比如恒星海山二，比太阳大五百多万倍，位于猎户座的参宿四比海山二还要大300倍。燃烧的恒星显出各种不同的颜色：红色、黄色或者蓝色，有些恒星茕茕孑立，有许多是“成双成对”地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，这称为双星，亿万颗恒星汇聚成巨大的星系，密布整个宇宙。恒星的诞生

每颗恒星都独具特色，但它们的最初形成的方式完全相同，它们由被称为星云的云雾似的极其稀薄的气体和尘埃组成。形状很不规则、影像蔚为壮观、形态各异直径长达数十亿公里的星云漂浮于太空中。每一个星云都是恒星的摇蓝，其中孕育着数百万颗恒星。

2麒麟座玫瑰星云马头星云恒星形成的过程并不出现在星云最灿烂、闪耀的地方，而是那些较暗的区域，在这些区域中存在密集的气体和尘埃。普通望远镜无法观测到尘埃内部的景像。所以我们无法看到恒星诞生的过程，也无法在第一时间观察到刚刚诞生的恒星。2004年，美国宇航局发射了一架用来观察热量的红外望远镜：斯皮策太空望远镜，从而能够观测星云内部新恒星的形成。恒星的形成需要氢气、引力和时间，尘埃和气体在引力作用下聚集并不断挤压至很小的体积，温度升高，数十万年来星云的密度不断增大，形成了巨大的盘状旋涡，直径甚至超过了太阳系，而位于中心的气体，在引力的不断挤压下，形成了具有超高密度和温度的球体，随着压力不断增大，巨大的气柱从中心喷射而出，可见恒星的诞生有多么的激烈。引力的作用持续而强烈，气体和尘埃颗粒被不断吸入，并相互挤压，产生了越来越多的热量，突然间气体中的原子开始熔化，恒星开始燃烧。在未来的50万年的时间里，年轻的恒星将逐渐变小，并变得更亮、更热，核心区域的温度将达到1500万摄氏度，气体原子只有在惊人的高温下，才能发生聚变并释放出巨大的能量，一颗恒星就是这样诞生的。在未来数百万年、数十亿年甚至数万亿年的时间里，它会一直发光。为此，让我们来看《了解宇宙是如何运行》关于恒星诞生的描述。恒星的演化与消亡恒星消耗的燃料是核聚变的能量恒星的演化恒星的消亡3（1）恒星消耗的燃料，是核聚变的能量

在未来数百万年、数十亿年甚至数万亿年的时间里，恒星会释放出巨大的热量和光芒。但是这需要消耗大量的燃料，直到二十世纪初，人们还对这种燃料一无所知。物理学家阿尔伯特·爱因斯坦发现了其中的奥秘，他的理论证明，恒星可以开发出原子内部的能量并加以利用，将原子互相聚合即可以释放出一种称为核聚变的能量，为恒星提供动力。青壮年期更年期老年期(2)恒星的演化

恒星的演化如同人的一生,经历从青壮年到更年期,老年期的过程。1)恒星的青壮年期—主序星恒星以内部氢核聚变为氦主要能源的发展阶段就是恒星的主序阶段。处于主序阶段的恒星称为主序星。主序阶段是恒星的青壮年期，恒星在这一阶段停留的时间占整个寿命的90%以上。这是一个相对稳定的阶段，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。恒星停留在主序阶段的时间随着质量的不同而相差很多。质量越大，光度越大，能量消耗也越快，停留在主序阶段的时间就越短。

目前的太阳也是一颗主序星，太阳的内核每秒都会消耗六亿多吨氢燃料。太阳现在的年龄为50亿年，它的主序阶段已过去了约一半的时间，还要50亿年才会转到另一个演化阶段。

恒星内部的核聚变所产生的能量，相当于每秒钟十亿颗原子弹爆炸所产生的能量。加来道雄教授描述道：“恒星就像一枚巨大的氢弹，那么它为什么没有直接炸成碎片呢？这是引力挤压恒星外层的结果。一方是试图将恒星压得紧实的引力，另一方则是在核聚变的过程中释放出的能量企图将恒星炸成碎片。这两种力量相互制衡，最终造就了恒星。”

这场力量之争，贯穿恒星的整个生命过程，两种令人生畏的自然力量，达到了动态平衡，随着战斗的不断升级，恒星也发出光和热，同时也释放出破坏性很强的物质：恒星风（太阳风），恒星越大，恒星风的威力就越大。

2)恒星的更年期

恒星的更年期出现在恒星核心部分的氢完全转变成氦后，产生能量的过程就停了下来，于是辐射压力下降，恒星的核心部分在引力作用下猛烈收缩。收缩产生的巨大热量使恒星内部的温度再次急剧升高，直到引发3个氦核聚变成1个碳核的热核反应，形成新一轮核反应。氦核聚变成碳核的热核反应告终后，巨大质量的恒星的核心又会继续进行类似的核反应，依次发生合成氧、硅等元素的核聚变，直到合成最稳定的铁元素为止。这一阶段恒星核心经历这些不同的核聚变反应，恒星也经历多次收缩膨胀，其光度也发生周期性变化，最后产生巨大辐射压力，自恒星内部往外传递，并将恒星的外层物质迅速推向外围空间，形成红巨星、红超巨星。3)恒星的老年期

恒星的老年期是从一颗恒星变成红巨星开始进入这一阶段的。在巨星阶段，恒星的体积将膨胀到十亿倍之多。称它为“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。（3）恒星的消亡恒星因初始质量不同而有不同的归宿,即白矮星和中子星。白矮星1)小质量恒星的死亡

初始质量小于8倍太阳质量的恒星最后将坍缩成一颗白矮星。

随着恒星的外层不断升温，恒星也在一直向外扩张。太阳现在的直径为140万公里，随着它的持续膨胀，将接近二亿公里，到那时我们的太阳将成为一颗红巨星，地球上的温度将达到数千摄氏度，海水将会沸腾，山峰也将熔化，膨胀的太阳会将地球完全吞没。然而这颗红巨星也在自我毁灭，它的内核变得极不稳定，处境十分危险，当所有氢气都燃烧殆尽后，恒星开始燃烧氦气，它们聚合形成碳，此时的恒星正在由内而外自我毁灭，从内核涌出的能量冲破恒星的表层，这些能量波将会剥离恒星的外层，恒星也将完全瓦解。这颗恒星已经死亡，它所残留的物质：就是一颗炙热、浓缩的内核，红巨星最终演变成一颗白矮星。在太阳即将消亡之时，它将变成一颗与地球大小相当的白矮星，密度约为地球的100万倍，但它要经历数百万年甚至数十亿年才能冷却下来。天文学家们相信在白矮星的中心，存在着一颗硕大的纯碳晶体，也就是一块直径约为数千公里的钻石。2)大质量恒星的死亡

巨大恒星的生命灿烂而辉煌，光芒耀眼而璀璨，就连死亡也无比壮烈。但它们在毁灭时产生的物质，构建了整个宇宙，同时也造就了生命。距离地球不到600光年的恒星参宿四即将死亡，以宇宙纪年来算，它比太阳还要年轻几百万年，但参宿四内部的核聚变却剧烈得多。天文学家菲尔·佩雷特博士告诉我们：“参宿四是与太阳完全不同的恒星，它是红超巨星，原因就在于参宿四的质量更大，约为太阳质量26

初始质量大于8倍太阳质量的巨大恒星消亡时，会产生更为剧烈的爆炸，其残骸就是中子星，与此同时，还会产生组成生命的最基本元素。的20倍，所以在参宿四内核中发生的一切，与太阳的情况迥然不同。”大质量恒星所产生的压力和温度，远高于宇宙中的其它星体，参宿四的引力十分惊人，可以将更大的原子挤压在一起，大质量恒星的内核如同一座工厂，可以制造出质量更大的元素，氦核聚变成碳核的热核反应告终后，恒星的核心又会继续进行类似的核反应，依次发生合成氧、硅等元素的核聚变，直到合成最稳定的铁元素为止，这也进一步推动了恒星的毁灭。一旦恒星中开始产生铁元素，这颗恒星就在劫难逃了。天文学家米歇尔·泰勒博士告诉我们：“在科幻小说里，有很多关于恒星杀手的奇异构想，出人意料的是：这个杀手就是平淡无奇的铁元素。”铁可以吸收能量，从大质量恒星产生铁元素的那一刻起，恒星就已经时日无多了。铁球不断掠夺维持恒星生存的能量，试图压扁恒星的引力与企图撕裂恒星的核聚变之间的战争宣告结束，随着铁元素的出现，核聚变已穷途末路，引力赢得最终胜利。天文学家菲尔·佩雷特博士描述道：“铁内核最终崩塌，恒星的外层向内塌缩，引发激烈的爆炸。这是宇宙中威力最大的事件之一：一颗超新星诞生了”。天文学家米歇尔·泰勒博士描述道：“在铁元素最初形成的几秒内，恒星在超新星内部爆炸。当你手握铁锅时，想像一下：铁元素可以在几秒钟内毁灭一颗恒星，多么危险的东西”。恒星内核深处的物质，在冲击波的带动下冲到表层，在爆炸产生的极端高温及混乱中，新的元素也随之产生，这些物质有金、银和铂，由于可供元素产生的时间十分短暂，它们也成为了宇宙中最为罕见和珍贵的物质。恒星爆炸残留的超高密度内核，成为了中子星，它的直径只有30公里，但它的质量却远远超出人们的想像，其密度可达，天文学家菲尔·佩雷特博士描述道：“它的密度大得惊人，仅一立方厘米，也就是一个糖块大小的中子星物质的重量，就相当于美国所有轿车重量的总和”。超新星爆发对于星际物质的化学成分有关键影响，这些物质又是建造下一代恒星的原材料。消亡的恒星所留下的不仅是中子星残骸，它还将新的元素带入宇宙空间。加来道雄教授描述道：“只有超新星才拥有足够的能量，熔合这些对生命至关重要的元素，如果没有超新星就没有生命，你我也都不会存在”。当大质量恒星消亡时，散入宇宙的尘埃播撒了生命的种子，尘埃中富含氢、碳、氧、硅以及铁等物质，这些基本元素，将组成新的恒星、太阳系、行星也包括我们自己，我们周围的一切，都来自于恒星的内核。就连太阳中的原子，也是经过循环利用的，它们来源于很久以前死亡的第三代或第四代恒星的残骸。为此，让我们来看《了解宇宙是如何运行》关于大质量恒星消亡的描述。30

现在的宇宙中拥有无数恒星，但这一时代终将过去。宇宙中有限的氢燃料将在数万亿年后完全耗尽，一但宇宙的氢气用尽，新的恒星也就无法形成。恒星迟早会迈向死亡，大质量恒星最先开