1.那遙遠的傳說—恒星的起源
恒星是宇宙星係中的重要組成單元,它的起源一直受到天文學家的重視,也是天文界研究的熱點。關於恒星的起源和形成對人類來說至關重要。對它的探索有利於人類對自己的家園地球的研究。1955年,俄羅斯著名天文學家阿姆巴楚米揚提出一種“超密說”。他認為,恒星是由一種神秘的“星前物質”爆炸而形成的。具體地講,這種“星前物質”體積特別小,密度非常大,但對它的具體性質還不清楚,由於超密理論的物理機製不完善,因此大多數科學家都不接受這種觀點。
與“超密說”不同的是“彌漫說”,“彌漫說”認為恒星由低密度的星際物質構成。它的淵源可以追溯到18世紀康德·拉普拉斯的“星雲”假說。星際物質是一些非常稀薄的氣體和細小的塵埃物質,它們在宇宙各處構成了龐大的像雲一樣的集團。這些物質密度每立方千米隻有10.4~10.8克,主要成分是氫(90%)和氦(10%)。
就觀測來看,星雲分為兩種:一種被附近恒星照亮的星雲和另一種暗星雲,它們的形狀有網狀、麵包圈狀等。最有名的是獵戶座的“暗灣”,其形狀像一頭披散的黑色馬頭,因此也叫“馬頭星雲”。美國科普作家阿西莫夫則認為,它更像迪斯尼動畫中“大惡狼”的頭部和肩部。
星雲是構成恒星的物質,但真正構成恒星的物質量是非常大的。構成太陽這樣的恒星需要一個方圓900億千米的星雲團。
從星雲變為恒星要分快收縮段和慢收縮段兩個階段。前者經曆幾十萬年,後者經曆上千萬年。星雲快收縮後半徑僅為原來的百分之一,平均密度提高1億倍,最後形成一個“星胚”。這是一個又濃又黑的雲團,中心為一密集核。之後進入慢收縮,也叫原恒星階段。這時星胚體溫不斷升高,高到一定程度就要閃爍身形,以表示它的存在,並步入幼年階段。但這時發展還不穩定,仍被彌漫的星雲物質所包圍,並向外界拋射物質。
隨著射電技術的不斷進步,人們對星雲物質成分做了許多觀測,特別是它的分子構成,為恒星起源問題的認識提供了重要的材料。盡管這對恒星的起源問題的研究有促進作用,但是就研究本身來說還有許多細節不是很清楚,特別是快收縮階段,其物理機製的認識還不全麵,還須更全麵的觀測和更深入的研究。
那麼,星雲是怎樣演變成恒星的呢?
2.恒星的幼年
浩淼廣闊的宇宙對人類一直是個無法說知的謎,當然恒星的出現和消失也是不能盡為人類所探測。據天文學家多年的觀測,恒星的幼年是出於量的改變狀態。當宇宙發展到一定時期,宇宙中充滿均勻的中性原子氣體雲、大體積氣體雲由於自身引力不穩定而造成坍縮。這樣恒星便進入形成階段。在坍縮開始階段,氣體雲內部壓力非常微小,物質在自引力作用下加速向中心墜落。當物質的線度收縮了幾個數量級後,情況就發生改變。一方麵,氣體的密度有了劇烈的增加,另一方麵,失去的引力,位能部分轉化成熱能,氣體溫度也有了很大的增加,氣體的壓力正比於它的密度與溫度的乘積,因而在坍縮過程中,壓力增長更快。這樣,在氣體內部很快形成一個足以與自引力相抗衡的壓力場,這壓力場最後製止引力坍縮,從而建立起一個新的力學平衡位形,稱之為星坯。
星坯的力學平衡是靠內部壓力梯度與自引力相抗衡造成的,而壓力梯度的存在卻依賴於內部溫度的不均勻性。因此在熱學上,這是一個不平衡的係統,熱量將從中心逐漸地向外流出。這一熱學上趨向平衡的自然傾向對力學起著削弱的作用。於是星坯必須緩慢的收縮,以其引力位能的降低來升高溫度,從而恢複力學平衡;同時引力位能的降低,也為星坯輻射提供所需的能量,這就是星坯演化的主要物理機製。
很多證據表明,太陽穩定地保持著今天的狀態已有5×109年了。因此,星坯階段隻能是太陽形成像今天這樣的穩定狀態之前的一個短暫過渡階段。
3.恒星的壯年
主序星是恒星達到穩定期的標誌,也是恒星的壯年時期。就如同人類,到了一定階段便停止了成長和發育。恒星到了壯年,其能量便沒有大幅度的改變。
在赫茨普龍·羅素圖中我們可以看到恒星的演化是從主序星開始的,那麼什麼是主序星呢?等氫穩定地燃燒為氦時,恒星就成了主序星。人們發現有百分之八十至百分之九十的恒星都是主序星,他們共同的特征是核心區都有氫正在燃燒,他們的光度、半徑和表麵溫度都有所不同。後來證明:主序星的定量上差別主要是質量不同,其次是他們的年齡和化學成分。太陽的這段曆程經曆約上千萬年。