恒星在演化进程中会出现哪些不同的演化形式?

 新葡8455科学     |      2019-12-12 15:54

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恒星,组成星系的基本物质单位,也是构成宇宙的最基本物质单位。和星系一样在宇宙中拥有着自己不同方式的演化进程,从有至无从昌盛到谢幕一切都顺应着宇宙所制定的生存法则。

在地球上的常规气压和温度下,氮分子呈现为气态。为了让氮气液化,可以通过加压的方式获得,也可以在常压下降温到-196 ℃得到。在常压下,液氮的密度约为807千克/立方米。

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如果有罐体积与地球相同的液氮,其体积为1.083×10^21立方米,所以包含的液氮总质量为8.74×10^23千克,即8.74万亿亿吨。倘若把这么多的液氮投入到太阳中,能否把太阳扑灭呢?

恒星

先说结论,太阳不会被扑灭,反而会“烧得更加旺盛”。

银河系在宇宙中是一个庞大的星系团,就可科学家初步估计大约存在2000---4000亿左右的恒星数量,在这个庞大的天文数字之下我们似乎被惊吓着了,然而银河系在宇宙中也仅仅是一个微不足道的尘埃而已。虽然太阳系和地球的存在让我们可以值得自豪骄傲一阵子,但是面对浩瀚苍茫的星空,我们似乎感到空前的孤立甚至绝望,我们对宇宙的认知能力和观测手段实在是非常有限,这让我们人类有一种被困于地球的紧迫感和压抑感,从而促使着我们需要不断的进行地外探索去获取我们所需要的东西。

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研究观测太阳这对于科学而言是必须的,因为我们赖以生存的这颗最普通不过的恒星就是宇宙中所有恒星的代表事件,也是因为太阳距离我们较近最便于细致研究的一颗恒星,在一定意义上讲研究太阳就是在保护我们人类自己,同样研究宇宙中其它的恒星在一定意义上讲也是在保护我们自己。研究恒星演化进程十分必要,这对于我们了解太阳和地球来说价值凸显,但恒星的演化进程是一个绝对缓慢的过程,相对于我们人生的经历过程而言几乎是不可能的事情。事实上我们可以通过智慧手段获得较为理想的研究办法及经验,对宇宙获取了诸多价值不菲的重要资料。

我们知道,扑火之前需要知道起火物是什么,不然会助长火势。举个例子,如果钠燃烧起来,不能用水、干粉灭火器或者泡沫灭火器来扑火,因为水和二氧化碳都会与钠发生剧烈的氧化还原反应,从而助长火势。

恒星在自己的演化进程中扮演着属于自己的角色,不同条件下的恒星具有不同的演化终结形式,其终结产物严格说取决于恒星的所具备的客观条件。要想非常明确形象的说明恒星的整个演化进程,那就必须先从诞生那一刻开始入手。

那么,太阳的燃烧原理是什么呢?为什么太阳不能用液氮来扑灭呢?

恒星诞生

无论是太阳还是其他恒星,它们的燃烧原理都是核聚变反应。在太阳的核心区域(从中心到0.25太阳半径的区域),太阳自身强大的重力使这里受到极度压缩,导致温度高达1570万度,压强高达地球表面大气压的2500亿倍。在这种条件下,氢原子核有足够的能量碰撞在一起发生核聚变反应,结果合成出氦原子核。在氢核聚变过程中,缺失掉的一小部分质量会转化为能量,这就是太阳的“燃烧”机制。

恒星诞生问题不是一个孤立的事件,这必须要跟宇宙大爆炸联系在一起才有意义。让我们回到宇宙诞生之初,只要持有这一理论的人都会一致认为,宇宙诞生之前是一个质量、密度和能量无限大而体积却是无限小的奇点,就是这一个无人能懂无人能悟透的奇点,在某一天突然能量超越了爆发的临界点,一次大爆炸就产生了,在接下来的几分钟内,空间、时间及形成万物的原生物质就产生了。除了时间和空间之外,现有宇宙中所有的物质都在这一锅原生物质汤中存在了,当然这一锅汤并非是存在任何可见形态的物质,而是在大爆炸结束后逐渐冷却下来形成了带有质量的原始氢、氦原子气体云。

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如果把8.74万亿亿吨的质量倒到太阳上,这会让太阳的质量增加大约250万分之一。更高的质量意味着核心区域会受到更强的压缩作用,所以温度和压强会更高,从而使核聚变反应的速率变得更快,导致太阳的温度变得更高。

恒星诞生

如果想要让太阳更快熄灭,理论上可以有两种方法。一种方法是让太阳大幅度减重,通过抽取太阳的物质,使其质量降为目前质量的7.5%以下,这样太阳将没有足够的质量来进行核聚变反应,它将不会是一颗恒星。

所有的恒星诞生都是从大爆炸之后的这一锅原始气体云中而来的,不同的是所形成的的第一代恒星一般都是体积巨大寿命较短,通常都在几百万年之后被终结又形成了新的恒星,但也有至今都燃烧了上百亿年都未熄灭的古老恒星被发现,不过第一代最原始的恒星当前还未发现过。随着恒星一代代历经生死轮回,每一次生命循环都会带来更多的重元素物质和更长久的寿命,那些丰富的元素物质以宇宙尘埃和气体的形式分布在宇宙的各个角落,直到再次被形成恒星发光发热进入新的演化进程。

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恒星诞生所需要的客观条件就必须要跟宇宙尘埃和星云联系在一起,宇宙尘埃和星云在宇宙中的存在绝非偶然,当我们的观测视线到达120亿光年之外的地方时,总会有许多千姿百态大小不一的星云在阻挡我们的视线,就是这些具有神秘色彩的星云,代表象征着恒星的诞生摇篮或者说死亡坟墓。这些气体星云体积大小不一可达数百光年,他们可以沉默上几百万年毫无动静,直到有一天条件成熟万事俱备造星活动就会由此展开。气体尘埃在重力的影响下相互聚集靠拢摩擦产生了压力和温度,在压力和温度作用下发生了收缩坍塌并高速运动,从而带动周围更多的尘埃气体参与聚集进来,经过几百万年的能量积累,尘埃气体团密度、体积、质量越来越大,内部压力和温度同样会越来越高,直到中心温度上升到1500万度时,氢原子核聚变的条件具备了随之引发聚变反应,巨大的热能量和光亮被顷刻产出,一颗新的恒星就此诞生了。

另一种方法是让太阳大幅度增重,这与第一种方法完全相反。通过不断给太阳输送物质,让太阳的质量大幅度增高,它的寿命将会大幅度降低。当太阳的质量增加到目前的上百倍时,它的寿命将会只有短短的数百万年,而不是现实中的100亿年。只需几百万年的时间,增重后的太阳将会发生超新星爆发,并且核心区域坍缩成能够吞噬光的黑洞。

恒星诞生之后周边有很多剩余的尘埃气体环绕,恒星的引力不在对他们产生有效的作用力,这些尘埃气体又在自己范围内进行了新的造星活动,如果体积质量达到核聚变所要的条件,足够形成一颗恒星的话就成为了双星系统,两颗恒星在潮汐力作用下相互绕行,这在宇宙中是一个十分普遍的问题。反之,如果新造的星体质量和体积达不到成为恒星的条件,只可能就会成为一颗行星绕行恒星,或许这就是我们太阳系形成时的一个缩影。宇宙中大多数恒星在造星阶段都是大同小异,存在行星的母系恒星在宇宙中只占到大约20%左右的数量,其它大多数都是些双序星或三星环绕的局面,不过这样的局面很难形成行星环绕的场面。

在正常情况下,已经存在了46亿年的太阳将会继续燃烧50亿年。太阳的最终结局不会出现超新星爆发那样猛烈的景象,而只是会出现一定程度的物质喷发,形成行星状星云,残留下的核心将会演变为白矮星。在数十亿年里,白矮星还会继续依靠余热发光,最终将会完全冷却为黑矮星。

我国的人造小太阳实验其实就是在模拟恒星制造核聚变,产生能量的原理是一样的,首先制作一个能经得住巨大能量考验的环形装置托卡马克,也叫环形加速器至少能够承受住一亿度高温的条件。强大的电磁场将氢燃料牢牢的束缚在加速器内,当电流通过磁性环路时,氢燃料中的氢原子开始分解生成等离子体,等离子体在在足够的温度和压力条件下相互猛烈的撞击合并释放出了巨大的能量,发光发热的现象就此出现了。实际上氢原子被分解成带正电的离子在相互发生碰撞聚集,4个氢离子聚合反应后生成了另一种元素氦,氦元素是恒星聚变反应机制中被生成的新物质元素,一旦氦元素参与了核聚变反应那就意味着恒星已经演化到了临近终结的时刻了。

恒星的成年演化机制

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人造太阳装置

恒星内部的反应机制在到达成年期时状态都趋于稳定,一般不会发生重大或致命性的灾难性问题,我们知道恒星的工作机制表现在是由两种巨大的力量做斗争,这是我们所不能用肉眼看到的现象。恒星本身就会产生一种向其内部压缩的巨大引力,这股无形的力量试图要将恒星整个压垮掉,另一股力量就是恒星内部的核聚变反应所产生的向外撕裂的力量,恒星要把这两股无形的力量平衡化解掉以达到自己稳定状态实属不容易。当自身引力大于核聚变扩张力时,恒星体积就会坍塌收缩,当扩张力大于自身引力时毫无疑问恒星就会膨胀成为巨星。

就拿我们的太阳来说,在这两股力量之间如何做出平衡力来维持自己正常工作,就必须要形成自己一套切实有效的活动方案才可以,太阳在这两种自然力之间寻求平衡就必须适当地靠自身的一些小动作来调节。太阳在日常中总是存在着一系列周期性的活动,这些活动对我们来说至关重要,但对于太阳来说就像是打个喷嚏或者打个哈气伸伸懒腰,就是这些看似微不足道的太阳活动对其它行星或生命而言都会产生重大的影响。恰恰就是这些微不足道的小动作正是太阳在两种自然力中间平衡协调的结果。

太阳黑子活动一般会随着活动周期变化而变化,产生的原理和机制其实很简单,就是太阳内部高温气体对流形成,黑色区域往往是温度较低的区域,而明亮或耀斑地带温度较高,气体对流在太阳内部正是将能量输送到外面的最有效工作方法。这说明内部温度是存在着区域性变化,研究黑子活动一般可以很有效的掌握耀斑或日冕质量抛射这些对地球能够产生重大影响的活动。太阳表面形成一张复杂的磁场网络,当局部温度较高压力较大时,磁场网线被撕裂断裂就会发生太阳耀斑或日冕大规模连锁活动,活动发生就意味着数百万吨级的高能带电粒子被抛向太空。对于所有的恒星来说这恐怕是最普遍的日常活动状态,只不过所爆发的能量大小和形式有所不同,这对于恒星周边的行星来说无疑是一种灾害,不过也有有益的一面存在,恒星风暴可以有效的抵御来自宇宙的其它有害射线。

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赫罗图

以太阳大小的中小质量类型的矮恒星,每天核聚变所消耗的燃料大约需要5000多亿吨物质,从婴儿时期到成为白矮星阶段是以氢元素为燃料的核聚变反应机制,直到氢元素物质耗尽为止,之后步入短暂的红巨星阶段预示着矮恒星结束主序生涯,对于巨型恒星和超巨型恒星的演化过程,都有各自不同的方式或最终形式,但不会有违于其演化进程的规律。

实际上不同类型的恒星在演化过程中的不同表现并非没有规律可循,我们人类当前已经积累下丰富的观测研究资料,科学家根据这些宝贵的资料制定出了有针对性的研究方法及手段,对那些遍及在宇宙中成千上万的恒星进行了细致的观察。美国天文学家亨利。诺里斯。罗素和丹麦科学家艾希纳。赫茨普龙,两人根据恒星的颜色、光度、温度制定了一个恒星演化过程的罗列模型-----赫罗图,这个模型非常形象的展示了恒星在自然演化过程中的种种变化及各自的演化规律。赫罗图模型几乎适用所有的恒星演化特征,无论是温度居高的蓝巨星还是温度较低的寒冷星,只要发出亮光被捕捉到就可以详细的了解这颗星已经演化到了什么程度,是一颗什么类型的星体。

红巨星

太阳的演化过程普遍适用于其它矮星,在氢元素核聚变阶段结束时被认为会首先成为一颗红巨星。氢燃料耗尽核聚变反应停止,引力和核聚变扩张力无法维持平衡,质量受重力约束大规模坍塌收缩,外部气体会顷刻扩张急剧增大膨胀,表面温度降低颜色变成了红色,太阳脱离了主序之列就成为了一颗巨大规模的红巨星。

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红巨星

成为红巨星的重要要素就是内核核聚变停止燃料耗尽,受重力影响内核塌缩释放高温,当温度增高到足以点燃外围的大气氢原子参与了核聚变,就意味着外围气体会出现剧烈的膨胀扩张,温度和亮度会提高几千倍,体积将会逐渐增大几百倍,届时太阳会现出凶恶的面孔成为宇宙中名副其实的破坏杀手,周边附近的几颗行星几乎全部吞噬融化,这就像一个人在晚年亲手杀死自己的子女那样冷酷残忍,但这只是宇宙的一种最为平常的现象,不足以用我们的价值观及道德标准去衡量,那没有任何意义可言。

红巨星的外围氢燃料参与了核聚变,内部核心活动停止引力跟扩张力这时无法达成平衡,显然核聚变扩张力占据了上风争取到了主动权,体积在此阶段将会逐渐的膨胀下去。几百万年之后,这两种力量的较量彻底失去了根基,由于氢核聚变产生的氦元素成为红巨星的主要物质成分,红巨星内核塌缩造成温度急剧升高,当温度达到氦元素参与核聚变的临界值近一亿度时氦聚变发生了,氦聚变反应机制是一个快速性如闪电式的反应过程(这个过程也叫作氦闪),氦聚变所产生的物质会在红巨星外层和内核剥离成为星云消散时被携带释放到宇宙空间,这些物质就是我们所熟悉的碳、氧元素。红巨星内核氦聚变发生让其本身处在动荡不稳定状态,随着外壳不断地膨胀扩大,内核氦聚变造成的氦物质减少失去了与引力对抗的聚变辐射压力,内核就被持续压缩至成为一个密度巨大体积较小质量巨大的核心为止,红巨星将会演化到下一个阶段------白矮星。