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2017/07/27
長生不老的恆星?—恆星的演化


在晴朗的夜晚,當我們抬頭仰望天空時,除了期盼剛好有流星劃過讓我們許願之外,總是可以見到許多星星高掛天邊,這些肉眼所見的星星大多數都是「恆星」,恆星,顧名思義就是「恆久不變的星星」,這些星星總是在固定位置一閃一閃的閃爍著,在沒有任何觀測工具的古代,人們賦予天上的星星許多傳說與故事,但是,所謂的恆星,難道就真的永遠都不會消失也不會換位置嗎?

恆星的誕生

銀河系約有二千億個恆星,每個恆星會因為處在不同的演化階段而有不同的質量,恆星並非永恆不墜,它就像地球上的人類一樣會經歷生老病死的過程,那究竟恆星是怎麼誕生的呢?

地球上有雲,在太空也有雲,太空中的雲是由塵埃、氫氣、氦氣、和其他電離氣體聚集而成的,人們稱它為「星雲」。這些星雲因為具有強大的引力,約莫經過幾百萬年的時間持續收縮,內部的壓力和溫度不斷升高,當中心溫度上升到約好幾百萬攝氏溫度時,便點燃核心氫融合成氦的核融合反應,並釋放出大量的能量(包含光和熱),於是,一顆穩定的恒星就誕生了!這時候星體內部高溫產生向外膨脹的熱壓力與造成收縮的重力達到平衡,使星體大小和溫度保持穩定,而讓星球維持長期且穩定的光亮度,我們的太陽就是一顆穩定、不斷放出光和熱的恆星。

天文學家透過觀察星星的發光程度和表面溫度,推演出星星的生命歷程。

恆星的演化

恆星的演化

以恆星的演化過程來看,太陽目前正處於穩定的主序星階段,恆星停留在主序星的時間從數百萬年到數百億年都有可能,質量越小、表面溫度越低的星體停留的時間越長。

質量像太陽的恆星內部不斷進行著各種核融合反應,核心區中氫與氦的比例會隨著時間逐漸產生變化,等到大部分的氫氣融合成氦時,氫融合反應停止,星體冷卻開始收縮體積變小溫度上升,點燃核心氦融合成碳的核反應。氦融合反應使核外層的溫度因此上升,導致外層的氫得以產生融合反應,此時星體整體向外的熱壓力大於向內的重力,於是星體開始膨脹,表面溫度因此而降低,使外觀呈現紅色的低溫特徵,故被稱為「紅巨星」。依據恆星演化論的預測,太陽很可能在50億年後,當核心的氫元素完全燃燒殆盡後,將收縮膨脹為紅巨星,這也表示恆星已經開始漸漸衰老和步入死亡。

恆星的歸宿

逐步邁向老年的恆星,依其質量大小不一樣,而有不一樣的結局:

  1. 白矮星
    白矮星是太陽型質量或質量較小恆星歸宿,當變成紅巨星的恆星裸露出星球內部的核心,靠自己殘留的餘溫散熱發光,就被稱為「白矮星」,白矮星會逐漸冷卻,最後失去溫度與亮度成為不易被觀測到的黑矮星。
  2. 超新星爆炸
    超新星是恆星演變成中子星的過程。大質量的恆星到了晚期核融合反應結束時,內部的碳、氧、矽燃燒殆盡,使恆星的鐵核心因為坍縮而崩壞,並釋放出大量的能量,此時恆星的溫度使其快速膨脹,外觀變得又大又亮,最後引發大爆炸,看起就像太空中又誕生了一顆新星一般。
  3. 中子星
    大質量恆星最終除了變成超新星爆炸外,中子星也是大質量恆星演化的最後選項,此類恆星結束核融合反應邁向死亡而塌陷後,原子中的質子和電被壓縮成高密度的中子,變成不致繼續塌陷的中子星。中子星體積很小,密度卻相當高。
  4. 黑洞
    一顆年邁又超大質量的恆星在生命的最後也可能會一直塌陷,最後變成一個體積很小但密度極高的物體,這個物體因為密度極高,有著非常強大的引力,引力強大到連光線都能被吸進去,所以被稱為「黑洞」。

年邁又超大質量的恆星在生命最後,可能會演化成體積很小、密度極高,且有著強大引力的黑洞。

黑洞釋放能量示意圖(圖片出處Wikimedia Commons)

現在我們知道了恆星演化的秘密,但恆星是會移動的,你知道嗎?只是因為它們跟地球的距離實在太遠了,所以我們無法用肉眼觀察出來;恆星雖然不是長生不老,但人類的壽命相對於恆星存在的時間而言,實在太短暫了。下次抬頭仰望天空時,不妨猜一猜那顆恆星目前正處於哪個演化階段,增加觀星的樂趣喔!

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