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紅超巨星和其他恆星一樣, 在主序時期, 氫會結合成氦, 但恆星的壽命更短. 一顆15倍太陽質量的恆星的核心將在一千萬年中用盡它的氫元素. 由於巨大的質量, 其核心處的溫度及密度足夠高使氦結合成碳並且同時形成氫燃燒殼層. 氦核心穩定的燃燒因為恆星的引力足夠大去控制它. 因為熱量由核心產生, 恆星的外部會膨脹的比紅巨星還大, 就形成了超紅巨星(red supergiant).

1 紅超巨星 -簡介

紅超巨星紅超巨星
紅超巨星red supergiant(RSG)

瀕臨死亡的大質量恆星,溫度很低,直徑為太陽的上百倍到上千倍不等。

是恆星的恆星光譜分類的約克光譜分類(光度分類)中的第一級,超巨星中的一種。雖然它們的質量不是最大的,但體積卻是宇宙中最大的恆星。

恆星中心區的氫消耗殆盡形成由氦構成的核球之後,氫聚變的熱核反應就無法在中心區繼續。這時引力重壓沒有輻射壓來平衡,星體中心區就要被壓縮,溫度會急劇上升。中心氦核球溫度升高后使緊貼它的那一層氫氦混合氣體受熱達到引發氫聚變的溫度,熱核反應重新開始。如此氦球逐漸增大,氫燃燒層也跟著向外擴展,使星體外層物質受熱膨脹起來向紅巨星或紅超巨星轉化。轉化期間,氫燃燒層產生的能量可能比主序星時期還要多,但星體表面溫度不僅不升高反而會下降。

2 紅超巨星 -詳細介紹

其原因在於外層膨脹后受到的內聚引力減小,即使溫度降低,其膨脹壓力仍然可抗衡或超過引力,此時星體半徑和表面積增大的程度超過產能率的增長,因此總光度雖可能增長,表面溫度卻會下降。質量高於4倍太陽質量的大恆星在氦核外重新引發氫聚變時,核外放出來的能量未明顯增加,但半徑卻增大了好多倍,因此表面溫度由幾萬開降到三、四千開,成為紅超巨星。質量低於4倍太陽質量的中小恆星進入紅巨星階段時表面溫度下降,光度卻急劇增加,這是因為它們外層膨脹所耗費的能量較少而產能較多。

紅巨星一旦形成,就朝恆星的下一階段——白矮星進發。當外部區域迅速膨脹時,氦核受反作用力卻強烈向內收縮,被壓縮的物質不斷變熱,最終內核溫度將超過一億度,點燃氦聚變。最後的結局將在中心形成一顆白矮星。

已知在銀河系內最大的四顆紅超巨星是仙王座μ、人馬座KW、仙王座V354和天鵝座KY。

許多紅超巨星的質量都允許它們核心的最終產物是鐵元素,在接近生命期的結束時,它們將發展出來的元素會越來越重,而越重的元素也越接近核心。

相對來說,紅超巨星的階段很短暫,持續的時間只有數十萬至數百萬年。大多數大質量的紅超巨星會發展成為沃爾夫-拉葉星,而質量稍低的紅超巨星會以類似II型超新星結束它們的生命。

3 紅超巨星 -內部結構

紅超巨星紅超巨星
自然界的元素不只是氫、氦、碳和氧,生命物質、木材、土壤和岩石中都含有一些硅、鎂、硫、磷、鐵和其他重原子,這些原子的核中都有20個以上的質子和中子。如果這些元素不能在太陽和大多數恆星里製造,

4 紅超巨星 -來自何處

仍然是來自恆星,不過只是很小一部分恆星,即質量最大的那些。只有在離開主序時質量超過SM的恆星才能製造重原子核。恆星中被外層重量壓緊的核心就是「煉金爐」,原料就是氫和氦燃燒的「爐渣」,即碳和氧,冶鍊過程在溫度升到6億開氏度時開始。

在這個溫度上碳再也保不住了,相互猛撞並聚合成氛和鎂,一條生產線就此建立,因為每個新的熱核反應都釋放更多的能量,使溫度升得更高,從而使新的轉變成為可能。

在10億度時,氖核奪得一個氦核而形成鎂,在15億度時氧也開始燃燒,產生一系列更重的元素:硫、硅和磷,在30億度時硅燃燒,並引發幾百種核反應,使爐子里的溫度越來越高。在再往後的幾千種反應的熊熊烈火中,更重也更珍貴的元素被製造出來。這是恆星生命的最後階段,這些反應的突發性也越來越強,越重的元素燃燒的時間就越短。對於一個質量為25M的「模型」星,碳的燃燒持續600年,氛是1年,氧是6個月,而硅只有1天。核轉變並不能就以這種速率無限制地繼續下去,反應的洪流最後都朝著~個元素彙集:鐵。鐵的原子核報特殊,其中的56個質子和中子結合得如此緊密,沒有一種聚變能量能使它們分開,鐵就成了大質量恆星核心的最後灰燼。

現在的恆星由一個已停止熱核反應的核心和仍在接連地燃燒的外層組成。恆星只得不斷地膨脹其外殼以調節平衡,它會膨脹到一個巨大的尺度,成為紅超巨星。紅超巨星是宇宙中最大的恆星。如果把這樣一個星放在太陽系中心,它將吞沒所有行星,包括遠在扣億公裡外的冥王星。紅超巨星的內部結構有時被描繪成像一個洋蔥頭,因為它包含許多在燃燒著不同化學元素的同心層。最輕的元素在溫度最低的外層燃燒,而最重的元素在緊貼著那個獃滯鐵核的內層燃燒。

5 紅超巨星 -典型的紅超巨星

心宿二心宿二
參宿四
  
獵戶座亮星極多,其中最著名的就屬參宿四(betelgeuse),它是紅超巨星,半徑在太陽的700倍到1000倍間變化,如果把它放在我們的太陽這個位置,外圍將超過木星。而半徑的變化使得它的光度也跟著變化,亮度會在0.4至1.3間變化。它距離我們約500光年,因為又近又大,使它成為除了太陽之外,人類首度能解析出表面大小的恆星。參宿四已走入生命末期,推測在未來數百萬年中,可能變成超新星。

心宿二

天蠍座的主星。中國古代又稱大火,是東方蒼龍七宿中心宿的第二星,用來確定季節。
  
「七月流火」即是大火星西行,天氣將寒之意。現代天文學之稱為「天蠍座α星」。

它是一個紅超巨星。它是一個光變明顯的半規則變星,並與一個藍色主序星組成一個

目視雙星系統。心宿二還是射電源。

6 紅超巨星 -相關詳細

觀測發現一紅超巨星體積神秘縮小
   
美國研究人員2009年6月9日說,過去十多年中,位於「獵戶」星座的紅超巨星——「參宿四」體積神秘縮小。天文學家表示,他們也不清楚為什麼會有這種奇怪的情況發生。

早在1921年,天文學家就給「參宿四」測過體積。但從1993年開始,美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員重新進行測量,他們使用的是架設在南加州威爾遜山的紅外干涉儀望遠鏡。

參與這項研究的教授、激光發明人查爾斯·湯斯當天在一份聲明中說:「新測量發現,過去15年中,『參宿四』的直徑縮小15%,其縮小幅度平緩,但呈逐年加快趨勢。」

「參宿四」半徑為5個天文單位,也就是5倍於地球到太陽的距離。如果把它安放在太陽系的中心,它的表面幾乎達到木星的軌道。這意味著,「參宿四」這15年中縮減了相當於金星到太陽的距離。今天,「參宿四」依然巨大,用「哈勃」太空望遠鏡觀察,它仍屬於少數呈碟狀、而非光點的恆星。但作為紅超巨星,它已快走到生命的盡頭。

另一名研究人員愛德華·威什諾說,他們並不清楚為什麼「參宿四」體積會縮減,「對星系和遙遠的宇宙,包括快走到生命盡頭的紅超巨星來說,人們仍有太多的未知」。

研究人員表示,他們接下來仍會繼續研究「參宿四」,觀察它到底是繼續縮小還是轉而膨脹。研究人員還指出,儘管「參宿四」體積在縮小,但它的亮度在過去15年中沒有明顯變暗。

這項研究成果已於9日在加州帕薩迪納舉行的美國天文學會會議上公布,並已發表在《天體物理學雜誌通訊》上。

紅巨星與紅超巨星

當恆星中心區的氫消耗殆盡形成由氦構成的核球之後,氫聚變的熱核反應就無法在中心區繼續。這時引力重壓沒有輻射壓來平衡,星體中心區就要被壓縮,溫度會急劇上升。中心氦核球溫度升高后使緊貼它的那一層氫氦混合氣體受熱達到引發氫聚變的溫度,熱核反應重新開始。如此氦球逐漸增大,氫燃燒層也跟著向外擴展,使星體外層物質受熱膨脹起來向紅巨星或紅超巨星轉化。轉化期間,氫燃燒層產生的能量可能比主序星時期還要多,但星體表面溫度不僅不升高反而會下降。其原因在於:外層膨脹后受到的內聚引力減小,即使溫度降低,其膨脹壓力仍然可抗衡或超過引力,此時星體半徑和表面積增大的程度超過產能率的增長,因此總光度雖可能增長,表面溫度卻會下降。質量高於4倍太陽質量的大恆星在氦核外重新引發氫聚變時,核外放出來的能量未明顯增加,但半徑卻增大了好多倍,因此表面溫度由幾萬開降到三、四千開,成為紅超巨星。質量低於4倍太陽質量的中小恆星進入紅巨星階段時表面溫度下降,光度卻急劇增加,這是因為它們外層膨脹所耗費的能量較少而產能較多。

預計太陽在紅巨星階段將大約停留10億年時間,光度將升高到今天的好幾十倍。到那時侯,地面的溫度將升高到今天的兩三倍,北溫帶夏季最高溫度將接近100℃。

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