恒星的一生

傅煜銘

任晴朗無云、沒有月亮的夜晚，我們抬頭仰望星空時，總會被那璀燦的繁星深深震撼。古時候的人們發(fā)現，相對于行星、彗星等位置會變化的天體，天上為數最多的星星相互之間的位置幾乎沒有改變，于是把它們叫作“恒星”。現代的天文學家把受自身引力束縛、自己發(fā)先發(fā)熱的由等離子體組成的球狀天體叫作恒星。太陽也是恒星六家庭的一員，是離我們最近的恒星。

實際上，人類真正認識到太陽也是一顆恒星，是最近幾百年間的事情。哥白尼、布魯諾等科學家作為日心說的開創(chuàng)者，認為地球并非世界的中心，而是繞著太陽旋轉的。同時，他們相信恒星也和太陽一樣，只是因為距離遙遠，所以看上去只是一個個的亮點。1838年，德國天文學家弗里德里希·貝塞爾首次通過視差法較為精確地測量了一顆恒星到我們的距離。在此之后，許多恒星的距離都被測量出來。科學家們使用觀測到的恒星亮度，修正它們所在距離對于亮度的影響（光源距離觀測者越遠，看上去就會越暗）后，發(fā)現這些恒星幾乎都和太陽差不多亮！科學家們還通過對比太陽和其他恒星的光譜，證實了它們在表面溫度和化學成分上都十分相似。按照恒星的光譜分類方法，太陽是一顆G2型的主序恒星。

宇宙中一共有多少顆恒星呢？“不計其數”可以說是對這個問題最為準確的回答。限于我們所處的位置和恒星、星系到我們的距離，我們在夜晚可以用肉眼看到的恒星，幾乎全都位于銀河系內。我們的肉眼無法分辨遙遠星系中的單個恒星。因此，許多星系在我們看來都是一個個很小的亮斑或者模糊的小亮點，它們是這些星系所有恒星發(fā)光的總和。粗略地估計一下，我們所能觀測到的宇宙中有大約千億個銀河系這樣的星系，而每一個這樣的星系中，又有數千億顆恒星，宇宙中恒星的數目是多么巨大！這些恒星從何處來，又將到何處去？一顆普通的恒星——這個在宇宙中滄海一粟般的平凡存在，究竟又會演繹出何等波瀾壯闊的詩篇？

恒星誕生記——我們來自星塵

近代的康德和拉普拉斯提出了“星云說”來解釋太陽系的形成，“星云說”認為太陽系內的天體誕生于原始星云中。這一假說為人們研究恒星起源提供了很大啟發(fā)。經過英國天文學家金斯的開創(chuàng)性研究以及后來的天文學家們的努力，現代的恒星形成理論逐漸發(fā)展和完善，并得到了大量觀測證據的支持。目前的恒星形成理論指出，恒星誕生于分子云中。

分子云是星云的一種。星云是對幾類由彌散的星際氣體和塵埃組成的天體的統(tǒng)稱，它們廣泛存在于銀河系和其他星系中。許多星云因為外觀奇特瑰麗而為人們所熟知。我們現在可以使用哈勃太空望遠鏡捕捉到這些星云的美麗照片，但很少有人知道，星云的物理狀態(tài)并

不像我們所熟知的地球上的云和霧，而是比人類所能制造的實驗室真空環(huán)境更“真空”更稀薄。星云包括發(fā)射星云、反射星云、行星狀星云和暗星云等。其中，行星狀星云是小質量恒星死亡后的遺跡；暗星云既不發(fā)光也沒有光供它們反射，由于塵埃的存在，它們會遮擋背景光源的光，所以可以在明亮彌散星云背景的映襯下被發(fā)現。

暗星云通常是分子云。分子云的主要化學成分是氫分子和氦原子，還包含一些其他元素組成的原子、分子或化合物。其中許多比氫和氦更重的元素，來自更老的恒星死亡后拋出的物質。分子云雖然是較為稠密的星際介質，但和人類所處的環(huán)境相比仍然十分稀薄。分子云的數密度是每立方厘米100到1000個粒子，地球上空氣的數密度是分子云的10億億倍！

分子云溫度很低，大約10開爾文（開爾文，溫度單位，10開爾文等于-263.15攝氏度）。分子云具有巨大的尺度，典型的直徑為幾十至數百光年（光年，距離單位，光在真空中走一年的距離，1光年約等于94605億千米）。因此盡管分子云很稀薄，它仍然擁有很大的質量，通常足以制造上萬個太陽這樣的恒星。分子云被稱為恒星的“育嬰室”，年輕的恒星在其中誕生，并經歷了最初階段的演化。

在分子云的不同位置，物質的密度可能不同，這種密度的不均勻性為分子云后來的坍縮和分裂埋下了種子。觸發(fā)這一系列過程的導火索，可能是分子云附近的超新星爆發(fā)，或者分子云與另一塊分子云的碰撞產生的激波。由于受到這樣的擾動，分子云中質量較大的部分區(qū)域會在自身引力作用下近乎自由落體地坍縮。坍縮的那部分云塊越變越密，由于它不夠穩(wěn)定，便繼續(xù)分裂成若干個小碎塊，每一個碎塊還會分別繼續(xù)坍縮。碎塊密度越來越大，溫度逐漸升高，氣壓開始增大。這樣導致的結果，就是原恒星核的形成。

原恒星核周圍的氣體物質持續(xù)落在原恒星核上，并圍繞原恒星核一起旋轉。這些聚集起來的物質最終將形成一個盤狀的結構——吸積盤，原恒星核位于盤的中心。原恒星核繼續(xù)吸積氣體物質，溫度升高，也開始變得明亮。原恒星核會在這時經歷一個短暫的穩(wěn)定狀態(tài)，之后當溫度升高到使氫分子分解為氫原子時（約2000攝氏度），原恒星會再次坍縮；第三次坍縮發(fā)生在溫度大約10000攝氏度的時候，此時氫和氦都被電離成離子，這次坍縮會在原恒星收縮到直徑只有大約幾十倍太陽直徑時停止。

原恒星內的物質會因引力而聚集，致使原恒星內部溫度持續(xù)升高。當原恒星中心的溫度、密度、壓力達到一定條件時（溫度約10000000攝氏度），熱核反應就會發(fā)生。氫原子會結合形成氦原子，這個過程伴隨巨大的核能釋放，引發(fā)的效應包括溫度和壓力升高、恒星變亮。隨著熱核反應的進行，恒星可以在一段時間內保持穩(wěn)定。恒星生命中的黃金時代——主序階段到來了。

主序階段——恒星一生中最長的時光

新生的恒星有不同的大小，直徑最小的不到太陽直徑的一半，最大的可達20多倍太陽直徑；它們還有不同的顏色，從紅到藍。這些不同的特性，取決于恒星形成時所聚集的物質多少。如果恒星形成時聚集的物質更多，最終形成的恒星質量和體積就會更大，恒星的表面溫度也會更高，因此會輻射波長更短的光而呈現偏藍的顏色；反之，小質量的恒星表面溫度通常更低，輻射出的光線中屬于長波成分的紅色更多，因此看上去偏紅。而恒星質量大小對恒星的影響還遠不止這些，它從一開始就決定了恒星的壽命，設計好了恒星生命中的幾乎一切劇情。

主序階段主要是指恒星內部發(fā)生熱核反應燃燒氫元素生成氦元素并保持穩(wěn)定的階段。主序階段是恒星一生中最長的階段，也正因為如此，我們看到的大部分恒星都正處于主序階段。不過，由于恒星內核的氫元素終將被熱核反應耗盡，恒星不能永遠保持在穩(wěn)定的主序階段，而是會脫離主序，走向死亡。大質量的恒星由于消耗氫的速度遠快于小質量的恒星，因此具有比小質量恒星更短的主序階段時間和更短的總壽命。理論計算表明，太陽在主序階段大約會停留100億年的時間。太陽形成于大約46億年前，所以它正處于壯年時期。而一個具有10倍太陽質量的恒星，主序階段的時間僅有約2000萬年，相比之下就太短了。從分子云到進入主序階段，太陽經歷了幾千萬年，這相比于太陽主序階段的時間只是一個很小的數字。大質量恒星從分子云到進入主序階段，用的時間還會更短。

主序星通過熱核反應持續(xù)產生使它發(fā)光發(fā)熱的能量。我們地球上的生物得以生存，歸

根結底也得益于太陽內核持續(xù)穩(wěn)定的熱核反應，因為太陽提供了適宜生物生存的溫度和人類所需的能源。當一顆恒星內核的氫被熱核反應消耗完時，它便行將就木。

恒星的萬年——壯麗的結束

恒星末期的演化，也是由恒星的質量決定的。不同質量的恒星最終的命運也會不同。

對于質量在2倍太陽質量以內的恒星，主序階段結束后，恒星核心的氫被用完，產生了一個氦的內核，氦內核外是密度更低的氫。由于核心的溫度不夠高，氦元素無法被點燃發(fā)生熱核反應。于是，氦內核首先向內收縮，使核心得到加熱。這種反應直接打破了恒星原本的穩(wěn)定狀態(tài)，使得恒星劇烈膨脹。由于恒星擴張到較外部的部分首先被冷卻，恒星的表面溫度降低了，因此變得比原來更紅。這時的恒星會演化成為紅巨星。以太陽為例，大約50億年后，太陽將成為一顆紅巨星，那時太陽會變大到現在的100倍，地球也會被太陽吞嗤。

而在紅巨星內部，氦的燃燒十分迅速，恒星核心的氦很快就會被燒盡，形成一個碳的內核。這個碳內核將持續(xù)收縮，密度越來越大，最終成為一顆體積很小、溫度很高（約10萬攝氏度）的天體——白矮星。而原來恒星外部的殼層膨脹得很大，最后會與中心的白矮星脫離，擴展到周圍的空間中。這些氣體物質被中心熾熱的白矮星電離，從而可以被我們觀測到。由于人們最初在望遠鏡中看到這些彌散物質很像行星，因此稱之為行星狀星云。

行星狀星云還會繼續(xù)膨脹，最終被完全吹散，只剩下核心的白矮星。而白矮星失去了能量來源，只能日益暗淡，成為不再發(fā)光的黑矮星。

質量較大的恒星在主序階段結束后，同樣會有氦內核燃燒的過程，并膨脹成為紅超巨星。不同于小質量恒星的是，大質量恒星的碳內核也會被點燃，從而合成更重的氮、氧元素。質量更大的恒星（8倍太陽質量以上）內核中產生的新元素會一再被點燃，新的更重的元素組成的內核相繼形成，內核外包裹著一層層燃燒的不同元素的同心殼層。因此這些大質量恒星還會制造出氖、鈉、鎂、硅等元素，直到內核變成鐵為止。

此時的恒星再也無力支撐自身的引力，以極快的速度向內坍縮，最終形成宇宙中的奇觀——超新星爆發(fā)。超新星爆發(fā)釋放巨大的能量，在爆發(fā)的瞬間，超新星的光度可以與整個星系的光度相比，天空中就像突然出現了一顆明亮的星星一樣。在超新星爆發(fā)后，原來恒星的外層物質被拋到周圍的宇宙空間中，成為彌散的氣體星云，而中心則產生一個致密天體——中子星或者黑洞。

中子星是一種由中子組成的天體，密度極高，它的直徑僅有約10千米，但質量卻和太陽相當。黑洞則是宇宙中最致密的天體，連光都無法逃脫它引力的束縛。

尾聲

超新星爆發(fā)的時候，很多比鐵更重的元素得以合成。這些元素不僅存在于地下的礦床里、人類的身體中，它們的譜線還出現在了太陽的光譜中。所以，我們的太陽系很有可能就誕生于大質量恒星死亡后的遺跡里。恒星誕生于星塵之中，終將歸于星塵之中。面對浩瀚無垠的宇宙，人類只有意識到了自身的渺小，才有可能變得偉大。