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每当我们在晴朗的夜晚抬头仰望星空,会看到漫天的繁星,如果不借助于天文望远镜,肉眼可以看到6000多颗
但事实上这也只是冰山一角。在我们的银河系内最少拥有2000亿颗以上,据科学家估计在整个宇宙中,恒星的数量甚至超过地球上沙子的总和!也正是因为有了他们才创造了万物。
在如此众多的恒星中,距离我们最近的一颗恒星便是太阳,它是一个由等离子体构成的巨大天体,体积可以容纳130个地球,质量是地球的33万倍,
不过太阳虽然庞大,但与真正的恒星对比也无比渺小。比如海山二,体积是太阳的500万倍,参宿四,体积是太阳的7亿倍。大犬座Vy,体积是太阳的80亿倍!
虽说在宇宙中这些恒星的体积和质量有大有小,但是他们的形成方式却是相同的,都是诞生于气体尘埃组成的星云,科学家研究发现,一片巨量分子云由于长期在万有引力的作用下,物质会聚集在一起,当出现了一个高密度区域时,大量星云将逐渐向高密度区域坍缩!
因为角动量守恒,星云在收缩时旋转加快,慢慢的会形成一个盘形结构,而在他的中心,物质也随着坍缩聚集越来越多温度和压力上升,当核心达到1500万度时,氢元素最终发生聚变反应,就这样,一个炽热的恒星诞生了。
接下来他将会稳定的燃烧下去,根据质量的不同,有的可能会燃烧几十亿年,有的可能长达几百亿年!说到这里或许很多人有所疑问,恒星为什么会燃烧如此之久,他的能源究竟来自哪里呢?答案便是他的核心处!
以太阳为例,太阳之所以可以一直燃烧,原因在于太阳的核心处不断地发生着,四个氢原子聚变成一个氦原子的热核反应!每秒约有6亿吨氢转化成5.96亿吨的氦,并释放出400万吨氢的能量,也正是这些聚变带来的能量给地球带来了光和热。
不过太阳也并不会一直聚变下去,当他的燃料耗尽之后便会走向终结。据估算大约40亿年后,太阳的氢元素将会逐渐耗尽,内部聚变放慢,这时引力开始占据上风,核心能量不足以维持流体静力平衡,体积会膨胀到200倍,变成一颗巨大的红巨星,到那时地球会直接被红巨星吞没。
在红巨星阶段,太阳的核心将开始触发新一轮核聚变,也就是从氦聚变成碳的过程,然而碳由于聚变的条件极高,当太阳核心完全形成一个碳球后,便无法再继续施压释放能量,最终整个恒星瓦解,物质向外抛撒,形成行星状星云,中心只留下一颗高密度的白矮星!
而如果一颗恒星的质量比太阳大的多时,它的死亡过程会更加可怕,还会创造出生命的基石,比如远在640光年外的参宿四,他就是一颗比太阳更大的恒星,质量是太阳的15倍左右,其内部的核反应非常剧烈,能够聚变到铁元素,它的死亡瞬间与太阳完全不同,会发生超新星爆发,这是宇宙中最狂暴的天文现象,几秒内释放的能量就相当于太阳一生释放能量的总和。
他在死亡后,核心留下来的则是一个密度更高的中子星。如果说是一个质量更大的恒星,且核心超过3.2倍太阳质量,那么则会形成一个光都无法逃脱的黑洞。
而且大质量恒星在剧烈爆炸的瞬间还能产生更重的元素,比如金,银,等珍贵的物质,甚至是生命的元素,可以说没有超新星爆发就没有你,也没有我。因此我们都是恒星的产物。所以我们要感谢恒星给宇宙赋予了生命的元素!
据外媒报道,在一段新的视频中,来自多个机构的研究人员使用一个名为STARFORGE(气态环境中的星体形成的简称)的令人难以置信的工具来模拟太空中巨大的物质云如何最终形成恒星。由此产生的动画是对被认为是最真实的恒星形成模型的难以置信的观察。
研究人员对该视频的描述如下:
这是第一部关于大质量(20000太阳质量)巨型分子云中恒星形成的数值模拟影片,其中有单个恒星的形成和对反馈的全面处理,包括原恒星喷流、5个频段的辐射、恒星风和核心坍缩超新星。这使得它成为第一个完整的STARFORGE模拟。这种特殊的分子云被昵称为“Anvil of Creation”。
恒星是从气体、尘埃和其他物质中诞生的,这些物质被引力拉到一个中心点。随着球体聚集更多的物质,其引力也在增长,拉入越来越多的气体和其他任何在其掌握之中的东西。一旦达到一定大小,球体内部难以置信的压力就会产生难以置信的热量。恒星需要巨大的质量来维持核反应,但一旦发生,事情就会迅速亮起。最终,没有进入恒星中心的其他物质可能成为行星、小行星、卫星和其他物体,最终围绕着更大的中心球体运行。
这个新的STARFORGE模型可能是对太空中巨大的气体云最终形成恒星和行星的实际情况的最准确表述。视频中的时间进展相当快,在短短一分钟内涵盖了数百万年的时间,但这是一种真正的观看享受。
发表在《皇家天文学会月刊》上的这项研究的共同作者Michael Grudić在一份声明中说:“人们模拟恒星形成已经有几十年了,但STARFORGE是技术上的一个飞跃。其他模型只能够模拟恒星形成的一小块云,而不是高分辨率的整个云。如果没有看到全局,我们就会错过很多可能影响恒星结果的因素。”
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恒星是依靠自身核聚变可以发热发光的天体(多指恒星的主序星阶段),不过由于恒星的质量大小不一,恒星自身的演化过程也很不相同。
根据自身质量的不同,恒星又可以分为很多种类,质量在太阳质量的8%到50%之间的的恒星是红矮星,这是恒星的质量最小的一类,发光发热都不强,我们在地球上无法用肉眼看到任何一颗红矮星;这类恒星的数量也最多,在我们的银河系中,红矮星的数量占到了近80%,质量在太阳的50%到80%的恒星是橙矮星,这类恒星发出的光辐射也不强,基本上也无法用肉眼看到;像我们的太阳这样的,质量在太阳的80%到140%的恒星是黄矮星,我们用肉眼能看到的夜空中的黄矮星也非常有限;以黄矮星更大一些的是蓝矮星,更大的还有巨星、超巨星和特超巨星,它们的演化方式和最终结果都是不一样的。
红矮星和橙矮星由于质量较小,内部的氢核聚变相对比较温和,因此这类星体的主序星阶段都比较长,有的红矮星寿命甚至长达万亿年,橙矮星也可以长达几百亿年,当它们内部的氢核聚变结束之后,基本上表现为一个渐渐熄灭的过程,内部也不会形成白矮星之类的天体,当其冷却下来之后,会直接形成一颗黑矮星。
像太阳这样的黄矮星,以及天狼星这样的蓝矮星,其演化和最终结局会是怎样的呢?当内部的氢元素聚变燃烧得差不多的时候会发生氦闪现象,其外层物质开始向外扩散成为红巨星或者黄巨星,当其主序星阶段之后,其核心位置会形成一颗白矮星,白矮星体积不大,只有地球这么大,不过密度很高,一立方厘米的质量在100公斤到10吨之间,总质量和太阳的质量差不多,由于白矮星不再进行核聚变,所以起温度会慢慢下降,最终会成为一颗黑矮星,不过这个降温过程会长达200亿年,因此无论是红矮星和橙矮星还是黄矮星与蓝矮星,其形成黑矮星的时间都要比宇宙的年龄138亿还长,所以天文学家认为宇宙中至今还没有形成一颗黑矮星。
原始质量在太阳的8到30倍的恒星,在主序星阶段的末期会发生超新星爆发,这一时刻恒星会变得非常明亮,多数会超过整个星系的亮度,之后星体的核心形成一颗中子星,中子星的体积很小,通常只在8-30公里之间,但它的密度比白矮星更大,每立方厘米的质量约在8000万到20亿吨之间。
原始质量大于太阳30倍的恒星,到了主序星阶段的末期,也会发生超新星爆发,但是它并不会形成中子星,而是会形成黑洞,黑洞的质量通常在太阳的三倍以上。 这类恒星的寿命通常都很短,一般不会超过1亿年,有的甚至只有几百万年,这是因为通常恒星的质量越大,其主序星阶段的寿命就越短。
每当夜晚来临的时候,我们仰望苍穹,星光点点组成了美丽的星空。我们晚上看到的星星,每年的同一时刻它都会在那里,似乎恒久不变,所以我们就称之为恒星。其实恒星也是在不断变化着、运动着的,只是人类的生命太过于短暂,相对于恒星来说,微不足道。幸运的是,科学技术的发展和科学家们不断地努力,使我们对恒星有了一个更深入的了解。下面我们就来详细地说一说。
一、恒星的诞生在无垠的宇宙中,有很多的气体和尘埃云,我们称之为分子云,这些云通常都很大,可以跨越几百光年的空间。这些分子云中,就有恒星的形成区。一些新诞生的恒星,会将周围的气体和尘埃照亮,形成美丽的星云,例如我们常听说的猎户座大星云,还有著名的鹰状星云中的“创世之柱”。
创世之柱
分子云要想形成恒星,也并不是件简单的事,需要一些条件。这个条件可能是附近的超新星爆发、或是分子云受到了空间的挤压,亦或是有一颗恒星的经过。当这些条件发生时,由于引力潮和压力的作用,分子云的某些区域被压缩,当这些区域达到足够的密度,恒星便开始形成了。越来越多的物质被拉向中心,中心聚集物的随机运动也转变为绕轴转动。聚集物质粒子间的碰撞使温度开始上升,开始发出热辐射。
形成时期的原恒星十分的不稳定,从原恒星的两极会喷出气体和尘埃。当核心达到足够的温度和压力时,核聚变就开始了,原恒星变身成为了一颗主序星。
在我们的银河系里,平均每年诞生7颗新的恒星,目前诞生的新恒星大部分都比太阳要小。
二、恒星的外观和类型冬季大三角
上图是冬季大三角,由大犬座的天狼星、小犬座的南河三以及猎户座的参宿四所组成的三角形。可以明显看出恒星的不同颜色。
离我们最近的恒星便是太阳,耀眼,不能直视。恒星就是一个燃烧着的大火球,释放着光和热。在夜晚的时候,我们抬头观察星星,都是一个个的亮点,根本感觉不到它的热量,也没有觉得有多亮,那是因为这些星星离我们太远了,离太阳系最近的比邻星距离我们也有4.22光年。
在夜晚,如果观测条件比较好的情况下,仔细观察,你会发现有的星星带点蓝色,有的星星发白,还有的星星带点橙色。
事实上,恒星的大小、温度、颜色、年龄和寿命都大相径庭。这些属性都是相互联系的,例如,恒星的颜色和温度,红色温度最低,当温度增加,恒星依次呈现的颜色是:橙色、黄色、白色和蓝色。
可以通过下面两张图来清晰地展示恒星的分类,第一张图是按照恒星的光谱进行分类,第二张图是由丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素发明的赫罗图,清楚地展示了按恒星演化的不同阶段的分类 。
恒星的光谱类型
赫罗图
三、恒星的大小在我们的眼中,天上的星星都是个亮点,但是恒星的实际大小是各不相同的。
最小的恒星比太阳还小,特别是一些巨大恒星坍缩后形成的超密度中子星,它们的直径最小的大约只有25千米左右。最大盾牌座UY,可以容纳下 1.8 × 10^9个太阳。
恒星从小到大的排列顺序为:白矮星、褐矮星、红矮星、黄矮星(太阳)、红巨星、蓝超巨星、蓝特超巨星、红超巨星、红特超巨星。
四、恒星的亮度与距离在夜晚,我们看到的星星,有的亮一些,有的暗一些,用双筒望远镜,我们能看到更多的,比较暗的星星。但是,恒星的亮度比较暗并不代表它是真的暗,也有可能它离我们太遥远 。
描述恒星亮度的方式有两种:视星等和绝对星等。视星等是指在观测中恒星有多亮。绝对星等是指把恒星都放在同一距离(10秒差),所得到的视星等。
笔者之前写的星座方面的文章用的都是视星等。
关于恒星的距离,因为太遥远,所以我们要引入一个特殊的距离单位——“光年“。光年是指光在星际空间中,一年时间里走过的距离。
计算恒星的距离,对于近距离的恒星,通常使用”三角视差法“。我们在两个不同的位置观察某一恒星,当地球从太阳的一侧运行到另一侧,这颗恒星相对于背景星空的位置就会发生变化,这样我们就可以算出恒星的距离了。
三角视差法
大部分较远的恒星,我们只能计算出大致的距离。
五、恒星的一生虽然叫做恒星,但其也是有一定的寿命的。恒星诞生后的命运主要取决其质量的大小。见下图
恒星的一生