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恆星是由熾熱氣體組成的,能自己發光的球狀或類球狀天體。離地球最近的恆星是太陽。恆星都是氣體星球,銀河系中的恆星大約有兩千億顆。恆星是處於運動中的 ,因為距離人類太遙遠,不藉助於特殊工具和方法,很難發現它們在天上的位置變化,古代人以為它們是固定不動的星體,把它們叫作恆星,意思是「永恆不變的星」。

1 恆星 -概述

恆星數以百計的恆星聚集在一起。圖片由哈勃太空望遠鏡拍攝

恆星是由熾熱氣體組成的,本身能發光的天體。除太陽外,離我們最近的恆星是比鄰星,它與地球之間的距離約為4.24光年。許許多多的恆星合在一起,組成一個巨大的星系。其中太陽系所在的星系叫銀河系。銀河系像一隻大鐵餅,寬約8萬光年,中心厚約1.2萬光年,恆星的總數在1000顆以上。

一般來說,恆星的體積和質量都比較大。只是由於距離地球太遙遠的緣故,星光才顯得那麼微弱。恆星發光的能力有強有弱。天文學上用光度來表示它。

恆星在宇宙中的分佈是不均勻的。從誕生的那天起,它們就聚集成群,交映成輝,組成雙星、星團、星系…… 古代的天文學家認為恆星在星空的位置是固定的,所以給它起名「恆星」,意為「永恆不變的星」。

2 恆星 -特徵

誕生
恆星恆星

恆星通常是在一團密度均勻、稀薄的星際氣體中形成的。在形成的過程中,首先是氣團中心的星際物質在引力作用下互相吸收、聚集,密度開始增大,對周圍物質的吸引力增加,吸引周圍更多的物質向中心聚集,並進一步使中心密度增加、壓力增大、溫度升高。當壓力和溫度達到某一水平時,中心部分逐漸開始發光、發熱,這時就可以認為一顆新恆星誕生了。

分級

新恆星又可分一級,二級兩年年齡段,一級恆星的年齡大約為1萬年,二級恆星的年齡大約為10萬年。一級恆星的周圍包裹著一層被中心吸引的、較為濃密的氣體外殼,阻擋恆星中心部分向外輻射能量。隨著中心部分的密度增加和溫度升高,當中心輻射的能量衝破外殼的束縛時,就標誌著一級恆星已經演化為二級恆星了。 

年齡

多數恆星的年齡在10億至100億歲之間,有些恆星甚至接近觀測到的宇宙年齡—137億歲。發現最老的恆星是HE 1523-0901,估計的年齡是132億歲。   

質量越大的恆星,壽命越短暫,主要是因為質量越大的恆星核心的壓力也越高,造成燃燒氫的速度也越快。許多大質量的恆星平均只有一百萬年的壽命,但質量最輕的恆星(紅矮星)以很慢的速率燃燒它們的燃料,壽命至少有一兆年。

直徑

由於和地球的距離遙遠,除了太陽之外的所有恆星在肉眼淺來都只是夜空中的一個光點,並且受到大氣層的影響而閃爍著。太陽也是恆星,但因為很靠近地球所以不僅看起來呈現圓盤狀,還提供了白天的光線。除了太陽之外,看起來最大的恆星是劍魚座R,它的是直徑是0.057角秒。 

質量

船底座η是已知質量最大的恆星之一,約為太陽的100–150倍,所以其壽命很短,最多祇有數百萬年。

在大爆炸后最早誕生的那一批恆星質量必然很大,或許能達到太陽的300倍甚至更大,由於在它們的成分中完全沒有比鋰更重的元素,這一代超大質量的恆星應該已經滅絕,第三星族星只存在於理論中。     

2010年英國謝菲爾德大學科學家發現了迄今質量最大的恆星,它在形成初期質量或可達太陽質量的320倍,亮度接近太陽的1000萬倍,表面溫度超過4萬攝氏度。

動能

一顆恆星相對於太陽運動可以提供這顆恆星的年齡和起源的有用信息,並且還包括周圍的星繫結構和演變。一顆恆星運動的成分包括徑向速度是接近或遠離太陽,和橫越天空的角動量,也就是所謂的自行。   

徑向速度是由恆星光譜中的多普勒位移來測量,它的單位是公里/秒。恆星的自行是經由精密的天體測量來確認,其單位為百萬分之一弧秒(mas)/年。經由測量恆星的視差,自行可以換算成實際的速度單位。恆星自行速率越高的通常就是比較靠近太陽,這也使高自行的恆星成為視差測量的理想候選者。 

溫度

恆星表面的溫度一般用有效溫度來表示,它等於有相同直徑、相同總輻射的絕對黑體的溫度。恆星的光譜能量分佈與有效溫度有關,由此可以定出O、B、A、F、G、K、M等光譜型(也可以叫作溫度型)溫度相同的恆星,體積越大,總輻射流量(即光度)越大,絕對星等越小。恆星的光度級可以分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ,依次稱為:Ⅰ超巨星、Ⅱ亮巨星、Ⅲ正常巨星、Ⅳ亞巨星、Ⅴ矮星、Ⅵ亞矮星、Ⅶ白矮星。太陽的光譜型為G2V,顏色偏黃,有效溫度約5,770K。A0V型星的色指數平均為零,溫度約10,000K。恆星的表面有效溫度由早O型的幾萬度到晚M型的幾千度,差別很大。

3 恆星 -命名

中國命名
恆星巨大的恆星形成區域

每一顆恆星都要給它取一個名字,才能夠便於研究和識別。中國在戰國時代起已命名肉眼能辨別到的恆星或是以它所在星官命名,如天關星、北河二等;或是根據傳說命名,例如織女星(織女一)、牛郎星(河鼓二)、老人星等;或根據二十八宿排列順序命名,例如心宿二等,構成一個不嚴謹的獨立體系。

西方命名

星座的概念在巴比倫時期就已經存在,古代的觀星人將哪些比較顯著的恆星和自然或神話等特定的景物結合,想像成不同的形狀。位於黃道帶上的12個星座就成了占星學的依據,許多明顯的單獨恆星也被賦予專屬的名字,特別是以阿拉伯文和拉丁文標示的名稱。而且有些星座和太陽還有它們自己整體的神話,它們被認為是亡者或神的靈魂,例如大陵五就代表著蛇髮女怪梅杜莎。

到了古希臘,已經知道有些星星是行星(意思是「漫遊者」),代表著各式各樣重要的神祇,這些行星的名字是水星、金星、火星、木星、和土星 (天王星和海王星雖然也是希臘和羅馬神話中的神祇,但是它們的光度暗淡,因此古代人並未發現,它們的名字是後來才由天文學家命名的。) 。

大約在1600年代,星座的名稱、範圍以及恆星的名字還是由各個地區自己命名的。1603年,德國天文學家約翰·拜耳創造了以希臘字母序列與星座結合的拜耳命名法,為星座內的每一顆恆星命名。然後英國天文學家約翰·佛蘭斯蒂德搞出了數字系統的命名法,這就是佛蘭斯蒂德命名法。從此以後許多其他的系統的星表都被創造出來。

其他命名

科學界唯一認可能夠為恆星或天體命名的機構是國際天文聯合會(IAU)。很多的私人公司(例如:"International Star Registry")以販售恆星的名字為主,但是除了購買者以外,這些名字既不會被科學界認可,也沒有人會使用這個名字,並且有許多組織假稱為天文機構進行詐欺,騙取無知的民眾購買星星的名字。

4 恆星 -演化

形成期
恆星恆星

在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而不穩定造成塌縮。這樣恆星便進入形成階段。在塌縮開始階段,氣體雲內部壓力很微小,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后,情況就不同了,一方面,氣體的密度有了劇烈的增加,另一方面,由於失去的引力位能部分的轉化成熱能,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,因而在塌縮過程中,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,這壓力場最後制止引力塌縮,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(即星坯中心的溫度要高於外圍的溫度),因此在熱學上,這是一個不平衡的系統,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,從而來恢復力學平衡;同時也是以引力位能的降低,來提供星坯輻射所需的能量。這就是星坯演化的主要物理機制。

穩定期

主序星階段在收縮過程中密度增加,我們知道ρ∝r-3,由式(4),rc∝r3/2,所以rc比 r減小的更快,收縮氣雲的一部分又達到新條件下的臨界,小擾動可以造成新的局部塌縮。如此下去在一定的條件下,大塊氣雲收縮為一個凝聚體成為原恆星,原恆星吸附周圍氣雲後繼續收縮,表面溫度不變,中心溫度不斷升高,引起溫度、密度和氣體成分的各種核反應。產生熱能使氣溫升的極高,氣體壓力抵抗引力使原恆星穩定下來成為恆星,恆星的演化是從主序星開始的。  哈勃觀測到兩顆燃燒劇烈的超級恆星

恆星的成份大部分是H和He,當溫度達到104K以上,即粒子的平均熱動能達1eV以上,氫原子通過熱碰撞就充分的電離了(氫的電離能是13.6eV),在溫度進一步升高后,等離子氣體中氫核與氫核的碰撞就可能引起核反應。

晚期

主序后的演化由於恆星形成是它的主要成份是氫,而氫的點火溫度又比其他元素都低,所以恆星演化的第一階段總是氫的燃燒階段,即主序階段。在主序階段,恆星內部維持著穩衡的壓力分佈和表面溫度分佈,所以在整個漫長的階段,它的光度和表面溫度都只有很小的變化。

恆星在燃燒盡星核區的氫之後,就熄火,這時核心區主要是氦,它是燃燒的產物,外圍區的物質主要是未經燃燒的氫,核心熄火后恆星失去了輻射的能源,它便要引力收縮是一個起關鍵作用的因素。一個核燃燒階段的結束,表明恆星內各處溫度都已低於在該處引起點火所需要的溫度,引力收縮將使恆星內各處的溫度升高,這實際上是尋找下一次核點火所需要的溫度,引力收縮將使恆星內各處的溫度全面的升高,主序后的引力收縮首先點著的不是核心區的氦(它的點火溫度高的太多),而是核心與外圍之間的氫殼,氫殼點火后,核心區處於高溫狀態,而仍沒核能源,它將繼續收縮。這時,由於核心區釋放的引力位能和燃燒中的氫所釋放的核能,都需要通過外圍不燃燒的氫層必須劇烈地膨脹,即讓介質輻射變得更透明。而氫層膨脹又使恆星的表面溫度降低了,所以這是一個光度增加、半徑增加、而表面變冷的過程,這個過程是恆星從主星序向紅巨星過渡,過程進行到一定程度,氫區中心的溫度將達到氫點火的溫度,於是又過渡到一個新階段--氦燃燒階段。 

5 恆星 -分佈

恆星在宇宙中的分佈是不均勻的,並且通常都是與星際間的氣體、塵埃一起存在於星系中。一個典型的星系擁有數千億顆的恆星,而再可觀測的宇宙中星系的數量也超過一千億個(1011)。過去相信恆星只存在余星系之中,但在星系際的空間中也已經發現恆星。天文學家估計宇宙至少有700垓(7×1022)顆恆星。

除了太陽之外,最靠近地球的恆星是半人馬座的比鄰星,距離是39.9兆(1012)公里,或4.2光年。光線從半人馬座的比鄰星要4.2年才能抵達地球。在軌道上繞行地球的太空梭速度約為8公里/秒(時速約30,000公里),需要150,000年才能抵達那兒。像這樣的距離,包括鄰近太陽系的地區,在星系盤中是很典型的。在星系的中心和球狀星團內,恆星的距離會更為接近,而在星暈中的距離則會更遙遠。

由於相對於星系的中心,恆星的距離是非常開闊的,因此恆星的相互碰撞是非常罕見的。但是在球狀星團或星系的中心,恆星碰撞則很平常。這樣的碰撞會形成藍掉隊星,這些異常的恆星比在同一星團中光度相同的主序帶恆星有著更高的表面溫度。 

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