_相对论_宇宙与时空_连载_恒星演化的归宿_白矮星_中子星和(精)

第28卷第6期大学物理Vol.28No.62009年6月COLLEGEPHYSICSJune2009《相对论、宇宙与时空》连载《相对论、宇宙与时空》连载⑥———恒星演化的归宿(白矮星、中子星和黑洞赵峥(北京师范大学物理系,北京1008751赫罗图指向天空的望远镜发现,千亿计的恒星各式各样,它们不仅光度不同,颜色也各异,真是千姿百态、绚丽多彩.这里的光度,是指恒星的绝对光度.绝对光度反映,之后,恒星的真实亮度,释放出的光能..恒星的颜色,.(.Hertzsprung和美国天文学家罗素(Russell各自独立给出了一张表示恒星光度和表面温度的关系图,称为赫罗图(图1.注意,赫罗图反映的不是恒星在天空中的位置分布,而是它们的光度和温度之间的关系.由于温度是由光的颜色反映出来的,他们给每一个温度范围定义了一个光谱型,从高温的蓝星到低温的红星,依次分为O、B、A、F、G、K和M共7个光谱型.我们的太阳属于黄色的G型,表面温度约6000K[1—5].图1赫罗图光谱型的名字很难记,有人编了一个小故事:一个年轻的天文学家初次用天文望远镜看星空,那五颜六色的天体让他大为惊讶,不禁大喊道:“Oh,beafinegirl,kissme!”(哦,真像一位仙女,吻我吧!.这句话的每个单词的第一个字母,.,.,(红矮.,是黄色的恒星,.主星序的右上方有低温而巨大的红巨星,左下方有小而高温的白矮星,它们属于恒星演化的不同阶段.星际物质在万有引力作用下塌缩变热,点燃热核反应,成为主序星,在这里度过它们99%的寿命.当恒星内部的氢合成氦的反应结束时,恒星离开主星序,膨胀成红巨星.然后再演变成白矮星.下面,我们将详细地介绍这一演化过程.2恒星的演化不同大小和颜色的恒星,实际上处于恒星演化的不同阶段[1—5].宇宙诞生的初期,到处均匀分布着主要由氢和氦组成的气体,在万有引力的作用下气体聚集成团,形成星体.聚集过程中它们的引力势能转化为热能,使原本很冷(温度约100K的物质温度升高,如果聚集成星体的气体物质很多,多到相当于太阳质量(1.99×1033g或大于太阳质量,引力势能转化成的大量热能可使星体内部温度升高到107K,从而点燃星体中氢的聚变反应.这时,一颗发光发热的恒星就诞生了.恒星中氢聚变生成氦的热核反应,可以维持几十到几百亿年,这时,恒星处在一个长期稳定的阶段,这个时期约占恒星寿命的99%.这样的恒星在赫罗图中位于从左上方到右下方的主星序,称为主序星.恒星在主星序上的位置由它的质量决定.主星序左上方的星质量较大,最大可到100M⊙(M⊙为太阳质量.右下方的星质量较小,最小不低于0.1M⊙.小于0.1M⊙的星体,点燃不了氢的聚变反应.处于主序星阶段的恒星,在主星序上的位置基本不移58大学物理第28卷动,直至氢的聚变反应结束,恒星离开主星序为止.我们的太阳就是这样一颗主序星,它的中心温度高达115×107K,压强达到3000亿个大气压,那里正进行着猛烈的热核反应.太阳在主序星阶段的寿命约为100亿年,现在已经在主序星阶段燃烧了50亿年,目前正处在它的中年时期.恒星的存在,一方面依赖于万有引力把物质聚集在一起,不致于漫天飞扬,另一方面则靠热核反应产生的热量,造成粒子迅速运动,产生排斥效应,使物质不致于收缩到一点.正是万有引力的吸引作用与热排斥作用这对矛盾的存在,保证了恒星的生存.当恒星中心部分的氢全部燃烧掉之后,恒星中部的热核反应就停止了,这时万有引力战胜了热排斥,星体开始收缩.由于恒星表面的温度远低于中心部分(例如太阳中心部分温度为115×107K,而表面温度只有6000K,那里还不曾发生过氢合成氦的热核反应.这时,随着星体的塌缩,高,那里的氢开始燃烧,,8,,氦聚合成碳,再合成氧,这些热核反应短暂而猛烈,像爆炸一样,称为“氦闪”.这种过程大约经历100万年,在整个天体演化中,这是一个很短的“瞬间”.此后几亿年中,恒星进入一个短暂的平稳期.当中心部分的氦逐渐燃烧完之后,外层氢的燃烧不断向更外部扩展,星体膨胀得越来越大,膨胀到原来的10亿倍.由于外壳离高温的中心越来越远,恒星表面的温度逐渐降低,从黄色变成红色.由于体积巨大,这种红色巨星看来很明亮.著名的参宿四(猎户座α,星座中最亮的星编号为α,其余依次为β,γ,…、毕宿五(金牛座图2红巨星心宿二与太阳系大小的比较α、大角(牧夫座α和心宿二(天蝎座α都是这样的红巨星(图2.主序星演化成红巨星的过程,就是它在赫罗图中的位置离开主星序的过程.红巨星位于赫罗图中主星序的右上方.50亿年后,我们的太阳也将由主序星演化成这样的红巨星,膨胀的太阳将逐步燃烧吞食掉水星、金星和地球.地球的轨道将被包在红巨星之内,海洋将全部沸腾蒸干,地球的残骸将继续在红巨星内部公转,红巨星外层气体灼热而稀薄,比我们实验室中所能得到的最好的真空还要空,所以地球仍能存在,并继续转动.当然,生命已不可能在地球上生存.不过,50亿年后的人类,已经有极为发达的文明.回想一下,从自然科学诞生的哥白尼时代到现在,才经过了500年,人类已经能够登月,50亿年后的人类将具有怎样的科技水平就不难想象了.那时的人类,肯定有能力迁移到其他星球去生存.银河系内有1000亿~2000亿个太阳,(既有一个太阳的太阳系,,三,.从现,,其,可能更有利于生物的生存.总之,银河系中肯定有大量适合人类生存的星球,未来的人类一定会有能力,迁移到新的星球上去生存.如果舍不得我们的故乡地球,也有可能把地球一起迁移到其他合适的太阳系去.例如可以设想在地球上造个巨大的喷嘴,像驾驶火箭一样驾驶地球,留下几个驾驶小组的人值班,其余的人则可用先进的冷冻技术冬眠,到达目的地后再从冬眠状态下复苏过来.核能源进一步枯竭之后,红巨星将抛出一些气体,形成“行星状星云”.一般来说,恒星在望远镜中看是一个点,而行星离地球近,在望远镜中呈现为一个圆面.所谓“行星状星云”,实际上是恒星周围的云状物质,在地球上用望远镜看,像行星一样是一个小圆面,其实与行星毫无关系.这个阶段,红巨星的中心部分将塌缩,形成小而高密、高温的白矮星.白矮星温度高,呈白色;体积小,因而亮度小.它位于赫罗图主星序的左下方.随着热核反应的逐渐停止,白矮星将逐渐冷却成为黑矮星,黑矮星由碳和氧两种元素构成,是一种比钻石还要硬的星体.白矮星冷却成黑矮星的过程十分缓慢,可能需要100亿年左右(图3.图3恒星的演化第6期赵峥:《相对论、宇宙与时空》连载⑥59白矮星的主要化学成分是高密度的碳和氧.那么宇宙中硅、镁、硫、铁等元素来自何方呢?它们来自超大质量恒星的演化.如果一颗恒星,在中心部分氢-氦热核反应终止,开始从主序星向红巨星演变时,还保有8M⊙以上的质量,那么,它们会发生更深层次的热核反应.这种超大质量恒星的内部,在塌缩时巨大的引力势能可把那里的温度加热到6×108K以上,使碳发生聚合反应生成氖和镁,这时温度进一步升到109K,氖与氦又合成镁.此反应导致温度再升到115×109K以上,氧开始燃烧合成硫、硅等元素.然后,温度进一步升到3×109K以上,硅开始燃烧,并引发成百上千种核反应,最终生成铁.这些重元素合成的时间很短,例如对于25M⊙质量的恒星,碳可燃烧600年,氖燃烧1年,氧燃烧6个月,而硅只燃烧1天就烧光了.这时恒星的最中心部分由新生成的铁组成,往外依次是硅硫、氧镁、氖氧、碳氧、.部分构成恒星的内核.-中不断膨胀,超红巨星.,的右上方.,那么连冥王星轨道都将被其吞没.恒星内核逐渐降温,在巨大的万有引力下继续塌缩,最终形成位于赫罗图左下方的中子星.在中子星生成过程中,猛烈的大爆炸把部分重元素抛向太空,成为星际物质.这些星际物质在适当的情况下可以形成新的恒星、行星,或被其他恒星俘获,聚集成行星.这就是行星中重元素的来源.图4主序星、红巨星、白矮星、中子星与黑洞大小的比较白矮星与中子星是高质量密度的恒星.在赫罗图中,它们是恒星演化的归宿.主序星中心部分的核燃料氢耗尽之后,先膨胀成红巨星,再塌缩成白矮星.质量超过8M⊙的主序星,则先膨胀成超红巨星,再塌缩成中子星或黑洞,并在塌缩过程中引起超新星爆发(图3、图4.3白矮星人类确认的第一颗白矮星是天狼星的伴星(天狼B星[1—4].天狼星的希腊名字为大犬座α星.“天狼”是中国人起的名字.它是除太阳外,肉眼看来最亮的一颗恒星.天狼星之所以看起来很亮,是因为它离我们比较近的缘故.冬天的黄昏之后,它出现在东南方的天空.天狼星的左下方,有中国古人称为“弧矢”的一组星.在中国古代,.古人用弧矢射天狼来表示抗击侵略(图5弧矢射天狼屈原曾在诗中写道:“举长矢兮射天狼,操余弧兮反沦降.”宋朝诗人苏东坡也在一首词中写道:“会挽雕弓如满月,西北望,射天狼”.但是天狼星从来不出现在天空的西北方向.苏东坡这样写,一方面是因为天狼星在弧矢的西北方向,另一方面是因为北宋时,侵略力量主要来自西北方的西夏.恒星,顾名思义在天空中是不动的.也就是说,在地球上的人看来,恒星之间的相对位量是不变的,这是由于它们离我们太远的缘故.太阳是离我们最近的恒星,光走8min可以到达地球.其他恒星就远多了,离太阳最近的比邻星(属于中国人所说的“南门二”,希腊名字叫半人马座α,这是一组由3颗恒星组成的“三合星”,3个“太阳”围绕它们的共同重心旋转.A、B两星相互距离较近,C星即比邻星,离我们最近.光到达地球要走4年多.也就是说,它们距离我们4个多l.y.(l.y.为光年,光走1年的距离.牛郎星距离我们16l.y.,织女星则有27l.y.,它们二者相距也差不多16l.y.因为恒星离我们非常遥远,它们之间也相距十分遥远,所以肉眼一般很难看出恒星之间相对位置的变化.只有离地球最近的一些恒星,我们才60大学物理第28卷能察觉这种变化[3,6].1834年,人们发现距我们约9l.y.的天狼星在天空的位置有周期性变化,推测它可能有一颗质量不小的伴星.天狼星位置的周期性变化,正是天狼与其伴星绕着它们的共同重心旋转的表现(图6.28年后,发现了这颗伴星,质量与太阳差不多,但体积只有地球那么大.由于体积太小,虽然表面温度高达2×104K,发出很强的白光,仍很难发现它.因为它又白又小,所以称其为白矮星.当时最让人惊讶的是它的密度,约为2.5t/cm3,这是地球上的任何物质都远远比不上的.图6天狼星与其伴星研究表明,白矮星不是一颗普通物质形态的星.它既不像一般恒星那样,靠热效应产生的排斥来对抗自身的万有引力,也不像行星、卫星那样靠晶格间(或分子间、原子间的电磁力来抗衡万有引力,而是靠泡利不相容原理产生的电子简并压强来抵抗引力[1—4,7,8].红巨星的内部物质在氢聚合成氦的热核能耗尽时塌缩,此塌缩过程迅速而猛烈,相当于恒星寿命的一瞬间(约100万年,称为“氦闪”.在氦闪过程中,氦聚变生成碳和氧,这时原子间的电磁力顶不住自身万有引力的猛烈挤压,原子的电子壳层被压碎,形成电子在晶格中自由穿行,或者说原子核构成的晶格框架漂浮在电子海洋中的状态.在这种电子海洋(或电子气中,电子的状态由能量、动量和自旋决定.由于量子化,能级、动量值和自旋值都是离散的,都只有有限个.当物质压紧时,由于体积缩小,上述量子态将被电子挤满.泡利不相容原理不允许两个电子处在同一个状态,正如一个萝卜一个坑,同一个坑里不允许有两个萝卜存在一样.如果硬要在同一个坑里放两个萝卜,它们就会互相排挤.同样,相互靠近的电子将产生一种新的排斥力(这种新的“泡利斥力”不是同种电荷产生的那种斥力,只有满足泡利不相容原理的费米子之间才存在这种力,也称费米压强,阻止体积进一步缩小.这种力顶住了万有引力,使得星体不再塌缩,这就是白矮星状态.太阳的半径为7×105km,太阳质量的白矮星半径只有104km.研究表明,宇宙间存在大量白矮星,大约占恒星总数的1/10.这就是说,在银河系的1000亿颗恒星中,有大约100亿颗是白矮星.它们的密度一般在0.1~100t/cm3之间.白矮星像一块炽热的金刚石(主要成分是碳和氧,内部温度可高达108K.随着内部核反应的逐渐停止,白矮星会慢慢冷却,最终形成一块不发光的、比钻石还硬的晶体———黑矮星.