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养成一颗恒星都需要啥?话说恒星③ | 观天者说

2019-05-30 14:38 来源:光明网 
2019-05-30 14:38:30来源:光明网作者:责任编辑:蔡琳

  大家好,我是国家天文台邓李才,今天来和大家聊聊恒星的演化。

  在我看来,恒星既有生命,也有社会性。恒星的社会属性说的是恒星星族,即有一定相关关系的恒星群体,比如星团、星系等等。说恒星有生命是因为他们符合生命的很多特征,最主要的是恒星的生存是需要不断消耗能量的,跟很多地球生物一样是典型的耗散结构。

  按前文的定义,恒星必须在内部有足够的能源才可以存在,产能的稳定程度决定了其生命的稳定性,进而决定了保持某种状态的时间长度。所以,恒星一生的演化是其内部能源决定的。

  在天体物理中,有一套描述恒星生命进程的理论,即恒星演化理论。我们把一门科学凝练成一套理论,追求的是一种完美。恒星演化理论堪称天体物理中最完美的理论,因为它不仅足够的准确,而且特别简洁。其中有一个全局性的,而且是非常合理的假定,即恒星是一维的球对称构造。这是一个很容易被大众接受的假设,因为太阳作为恒星的典型代表,其外形就是一个球。

  球对称假定的意义在于,所有描述恒星内部结构的物理量仅依赖于半径。在这个基础上,用几个物理守恒定律,包括质量守恒、能量守恒、动量守恒这些基本物理约束,加上描述耗散结构的能量转移方程和适当的边界条件,就构成了能够求解恒星演化的数学体系。

  而理解恒星在最主要阶段的寿命,则可以更简单。我们在前面说赫罗图时,已经解释了赫罗图中有一个主序带,就是大多数恒星聚集的带状区域,其中的恒星数目占天上恒星数目的约80%,主序带外的恒星约占20%。

  恒星的研究揭示,主序的恒星是中心区有氢热核反应的恒星,而主序带外基本以中心区外部氢壳层燃烧,或中心区氦热核反应为主。氢燃烧把氢转变成了氦,而氦燃烧则把氦烧成了碳或者氧。这个80%与20%数目的比例,基本来自于这两种主要热核反应的产能比,即单位质量释放的能量之比,这个比值大致就是80%比20%。

养成一颗恒星都需要啥?话说恒星③ | 观天者说

图注:这是氢最容易发生的一种热核反应,即氢的两种同位素(氘和氚)结合产生氦和一个中子的过程。这是氢弹的能源

  还有一些常识是可以用来定性理解恒星演化规律的。比如,用外力压缩气体时,气体的温度是要随密度的增加上升的;反之,如果把压缩气体释放,温度是要下降的。极端的情况是我们的空调。

  大家都知道空调的核心器件是一台压缩机,压缩冷媒时需要通过室外机把热量通过室外机传到空气中,而当高压的冷媒在室内机中释放压力时就会因降温而制冷。这种原理正好可以用来理解恒星演化。

  恒星形成于冷的气体,被引力不断压缩,中心温度就会上升,直到可以点燃氢的温度,这个温度非常高,是千万度的量级!氢一旦点燃,中心会因氢燃烧产生的热压力来平衡外部物质的压力。此时压缩不会继续,中心温度会稳定下来。太阳的这种平衡可以维持超过100亿年!

  恒星中心的氢热核反应一旦结束,中心不再有稳定的能源维持平衡。这时恒星就会再次在引力的作用下收缩,中心的温度会再次上升。但是,在中心温度达到点燃下一个核物质——氦之前,即达到1亿度,中心之外依然有氢的地方的温度,就可以达到氢点燃的温度。此时这个壳层,氢热核反应会暂时成为主要的能源,这种情况下,外面的恒星物质会被氢壳层燃烧“吹”涨,膨胀的外层按上面空调室外机的原理就会降温。但因为此时恒星的体积非常之大,而温度又较低,也就是变红,所以我们称之为红巨星。这就是电影《流浪地球》的一个科学概念了。

  关于这部电影《流浪地球》的科学设定中,跟恒星演化方面的种种错误,我们在下一期的“话说恒星”中与大家细说。

  主讲人简介:邓李才,中国科学院国家天文台研究员,恒星与恒星系统研究团组首席科学家,主要研究领域为恒星物理。

[责任编辑:蔡琳]

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