第四節(jié)　恒星的演化

一、赫羅圖的創(chuàng)立

在天體分光學(xué)誕生以后，天文學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，雖然恒星的光譜互不相同，但有的具有大致相同的特征，根據(jù)這些特征，可以把恒星按光譜作一個分類。

19世紀(jì)末，哈佛天文臺的女天文學(xué)家莫里提出一種恒星的光譜分類法。她將恒星光譜分為22種，每一種又細(xì)分a、b、c等多次型，以區(qū)分微小差別，其中b次譜線最寬，a次其次，c型最窄。她用這種分法將681顆恒星作了分類。由于莫里的這一分類法很繁瑣，因此并沒有引起廣泛注意，但丹麥天文學(xué)家赫茨普龍卻對此產(chǎn)生了濃厚興趣。他經(jīng)過對多顆恒星的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，莫里分類中各型的c次型恒星平均自行總比其他次型的小。如果恒星視亮度相同或相近，那么c次型的距離應(yīng)遠(yuǎn)得多，并且絕對星等也比其他次型小。也就是說，c次型的恒星光度大得多，赫茨普龍把這種大光度的恒星稱作巨星，而小光度的稱作矮星，巨星在數(shù)目上要少得多。

和赫茨普龍同時進行類似研究的還有美國天文學(xué)家羅素。他走了另外一條路。他孜孜不倦地測量了許多恒星的視星等并換算了絕對星等，和赫茨普龍一樣得出了恒星分為巨星和矮星兩類。1913—1914年，羅素繪制了光譜型與絕對星等之間的關(guān)系圖。從該圖中可看到，極大多數(shù)的恒星位于左上端至右下端的斜帶內(nèi)，這一斜帶稱主星序，位于該帶內(nèi)的星稱為主序星。在主序星右上方還散布了一個較為彌散的橫帶，稱為巨星序，其中的星稱作巨星，光度比一般主序星大得多。1911年，赫茨普龍也發(fā)表過類似的圖。后來，人們把這種圖稱為赫茨普龍——羅素圖，簡稱赫羅圖或HR圖。

赫羅圖的發(fā)表對整個天體物理來說意義是舉足輕重的。它說明，恒星也是通過演化而來，并且會走向消亡，處于不同時期的恒星對應(yīng)于赫羅圖上不同的位置。赫羅圖的創(chuàng)立打開了恒星演化研究的大門。

二、恒星的一生

赫茨普龍在繪制赫羅圖時，并沒有賦予它和恒星演化之間的關(guān)系。但羅素卻提出了一個恒星演化假設(shè)。羅素認(rèn)為，恒星形成之初，溫度較低，體積很大，屬M巨星。在自身引力作用下收縮而使其密度增大，顏色變白，沿主星序向左演化從而到達(dá)主星序上端。而后，由于恒星收縮減慢，引力能不足以補充輻射損失的能量，于是恒星溫度開始下降。另一方面恒星體積收縮。這兩個原因就導(dǎo)致了恒星光度的減少，因此恒星沿主星序從左上端演化到右下端，最后以M型的矮星而告終。

羅素的這一理論在直觀上易理解，因此當(dāng)時一度曾得到了不少人的贊同。但后來，羅素的學(xué)說碰到了麻煩。1915年，W·S·亞當(dāng)斯發(fā)現(xiàn)了天狼伴星。這顆星體積比地球還小，卻有太陽的質(zhì)量。它的表面溫度很高，光度卻很小。這是一類奇特的恒星——白矮星。羅素的演化假設(shè)解釋不了這種星的存在。

1924年，著名的英國天文學(xué)家愛丁頓經(jīng)過深入研究，并與實測資料進行了對比，繪出了恒星的質(zhì)量和光度間的關(guān)系圖。從圖上來看，主序星光度大致與質(zhì)量的三次方成正比。主星序上端的恒星質(zhì)量達(dá)10個太陽質(zhì)量，而下端的質(zhì)量小于1/10個太陽。如果恒星演化沿主星序向下，那它的大部分質(zhì)量到哪兒去了呢！對此，羅素的理論無能為力。

1905年，愛因斯坦的相對論問世。其中提出的著名質(zhì)能公式E＝mc²為解釋恒星能源之謎提供了一條可尋之徑。1937—1939年，德國的魏茨澤克和美國的貝特通過研究認(rèn)為，恒星的巨大能源源自內(nèi)部的核反應(yīng)。核反應(yīng)一般分為兩種。即前面提到過的質(zhì)子——質(zhì)子反應(yīng)和碳氮循環(huán)。魏茨澤克和貝特還指出，在像太陽那樣大小的恒星里，質(zhì)子——質(zhì)子反應(yīng)占主導(dǎo)，而光譜型越早，質(zhì)量越大的恒星中，碳氮循環(huán)則占據(jù)了主要位置，這些核聚變反應(yīng)，特別是碳氮循環(huán)，它們反應(yīng)的強度與溫度關(guān)系密切。質(zhì)量和光度越大的恒星，其中心溫度越高，產(chǎn)生的能量隨之迅速增加，物質(zhì)消耗也就隨之加快。因而大質(zhì)量大光度恒星的壽命比小質(zhì)量低光度的恒星短得多。魏茨澤克和貝特的理論較完全地揭示了恒星能源之謎，有力地推動了恒星演化理論的發(fā)展。

在恒星能源之跡揭開之后，許多天文學(xué)家繼續(xù)致力于恒星演化理論的研究。其中貢獻較為突出的有羅素、特朗普勒、桑德奇及日本的林忠四郎等人。通過這些天文學(xué)家們的努力，到20世紀(jì)60年代，恒星的一生在赫羅圖上的理論演化曲線已十分清晰，通常認(rèn)為，恒星的演化有以下幾個階段

1.原恒星階段。從赫羅圖上看，這一時期的恒星處于右上方。此時的恒星亦稱“星胎”，星胎并沒有進行核反應(yīng)，而是在自身引力作用下不斷收縮，同時產(chǎn)生能量。蘇聯(lián)科學(xué)家巴爾楚米揚認(rèn)為，星胎具有很小的體積和很大的密度，估計質(zhì)量為太陽的幾百到幾千倍。星胎經(jīng)過幾千萬到幾億年的收縮才形成恒星。演化的快慢取決于恒星的質(zhì)量，質(zhì)量大的演化快。

2.主序星階段。星胎在收縮時會釋放出巨大的能量，使其溫度不斷升高。當(dāng)溫度達(dá)到一定值時，使引發(fā)了核聚變，恒星也就進入了主序星階段。主序星亦稱“矮星”，是恒星一生中最穩(wěn)定，持續(xù)時間最長的階段。銀河系中90%以上的恒星處于這一階段。主序星的特征是：①它們都位于赫羅圖上從左上角到右下角的狹窄帶狀區(qū)域內(nèi)，這一區(qū)域稱“主星序”。②光度和表面溫度正比于質(zhì)量。質(zhì)量為20個太陽的恒星，在這一階段會發(fā)展成高溫高亮的藍(lán)巨星或白巨星；質(zhì)量為幾倍太陽質(zhì)量的成為光度略大，溫度略高的白星和黃白星；質(zhì)量與太陽相當(dāng)?shù)某蔀辄S矮星；質(zhì)量比太陽小的，則演化為較冷較暗的紅矮星，③恒星在主序星階段停留的時間與它們的質(zhì)量、光度成反比。藍(lán)巨星和藍(lán)白色巨星只有幾百萬至幾千萬年，而白星和黃白星停留10億年。與太陽相當(dāng)?shù)狞S矮星停留上百億年，而質(zhì)量為0.2倍太陽質(zhì)量的恒星可在主序星階段停留一萬億年，④恒星能源，質(zhì)量小于1.5倍太陽質(zhì)量的恒星中，以質(zhì)子——質(zhì)子反應(yīng)為主；大于1.5倍太陽質(zhì)量的，以碳氮循環(huán)反應(yīng)為主，⑤光譜范圍從早期的O、B型到晚型的M8型都有。太陽是光譜型為G2的橙色矮星，位于主星序中部偏右一點。

3.紅巨星階段，隨著恒星內(nèi)部核反應(yīng)的不斷進行。恒星中的氫也不斷耗盡，氦核則不斷增大。當(dāng)氦核大到一定程度時，恒星迅速離開主星序，向赫羅圖右上方演化從而成為紅巨星。紅巨星的巨大能量也來自核聚變反應(yīng)，但和主序星不同，不是氫聚變?yōu)楹さ姆磻?yīng)，而是氦聚變生成碳。紅巨星的光譜為K型或M型。它們處于恒星演化的中年期。這一階段，恒星核的引力大于向外的輻射壓，故核開始收縮，并變熱變致密。與此同時，外層得到了核心的能量開始劇烈膨脹，可擴大到原有尺寸的上百倍，這樣就變成了體積很大，密度很低，表面溫度很低的紅巨星。它的演化總伴隨著物質(zhì)的拋射，在周圍形成塵埃云殼，太陽將來演化成紅巨星時，直徑將擴大250倍，比目前亮100倍，著名的紅巨星有大角星，畢宿五及參宿四等。

4.不穩(wěn)定階段，恒星在經(jīng)歷了紅巨星階段之后，體積收縮，溫度升高，沿赫羅圖的巨星序向左移動，進入不穩(wěn)定階段。在這一階段，恒星可能成為不斷脈動的造父變星，或爆發(fā)生成新星或超新星。

5.致密星階段，恒星經(jīng)過不穩(wěn)定階段之后，在赫羅圖上向左穿過主星序，演變?yōu)樾行菭钚窃频闹行男?，最后演化為白矮星、中子星或黑洞之類的致密星體。行星狀星云是被巨大氣層包圍的暗星，暗星是處于星云中心的高溫星，在恒星爆發(fā)之后，拋射出大量物質(zhì)，只剩下致密的核。如果核的質(zhì)量小于1.5倍太陽質(zhì)量，就演化為白矮星。白矮星的特征是①體積小，平均半徑小于一萬公里，②光度小，比正常恒星暗約1000倍。③密度高，每立方厘米物質(zhì)重達(dá)幾百公斤到幾十噸，表面重力加速度為地球表面的十到十幾萬倍，④表面溫度高，平均約1萬度，白矮星由完全電離了的原子核或中子構(gòu)成。天狼伴星是最早發(fā)現(xiàn)的一顆白矮星，也是最亮的一顆（8等），迄今為止發(fā)現(xiàn)的白矮星有1000顆。預(yù)測資料表明，有約3%的恒星是白矮星，但從理論上分析，白矮星應(yīng)占恒星總數(shù)的10%。

中子星是另一種重要的致密星體，它往往是超新星爆發(fā)的遺跡，質(zhì)量為0.1—3個太陽。中子星主要由中子及少量質(zhì)子和電子組成，密度極大，達(dá)每立方厘米一億噸以上，中子星的磁場強度可達(dá)一億特斯拉。一般中子星直徑僅為10公里左右，是目前已知的最小的恒星。它們不能被光學(xué)望遠(yuǎn)鏡或熱輻射儀探測到，而只能通過它們巨大的射電脈沖來探測。1054年中國天文學(xué)家記錄的超新星爆發(fā)之后的產(chǎn)物就是一顆中子星，它位于著名的蟹狀星云中心。

當(dāng)恒星的質(zhì)量更大時，它將坍縮為更致密的天體，這種天體密度極大，引力場極強，以至于連光也無法從中逃逸，這種天體被稱為黑洞。黑洞是一種只在理論上被提出的天體，至今未觀測到它的存在，因為它是完全“黑暗”的。但我們可以通過它對周圍恒星運動的影響推測出它的存在。天鵝座X——1附近就很可能存在一個黑洞。在星系M87的中心，則可能存在一個質(zhì)量達(dá)一億個太陽的黑洞。黑洞有許多特殊的性質(zhì)，我們將在今后的一些章節(jié)中作專門討論。

以上就是一般恒星的演化過程，但這一過程并不是絕對的，隨質(zhì)量、溫度、光度等不同，恒星的演化過程又不盡相同。對于其中的一些問題，至今仍不十分清楚，還有待于更進一步的研究。