是什么决定了恒星的命运?不同阶段的恒星消耗燃料的速度是多少?
“人们喜欢光明,即使只是一支燃烧的小蜡烛。”——-Georg C.Lichtenberg
恒星是宇宙演化中最重要的一环,是它创造了光明,温暖,是它丰富了宇宙的成分,也是它带来众多的岩石行星,甚至是生活在这些行星上的生命。
今天我们要说的问题是,恒星的燃烧速率是由什么决定的?以及不同的元素在恒星核心的不同层中是如何一步步发生聚变,直到恒星的死亡。
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是什么决定了一颗恒星的命运
我们既想知道恒星内部发生了什么,又想知道它是如何发生的,就需要了解从一颗恒星燃烧开始到它生命结束的整个过程。
首先,我们需要找到一颗新生的恒星。在宇宙中唯一能找到它们的地方就是在巨大的星团中!
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在一个年轻的星团中,如上图中的NGC265,其中有各种不同类型的恒星,从质量最大、温度最高的o级和b级恒星,它们的质量一般是太阳的几十倍、甚至几百倍,一直到质量最低的m级恒星,即最红、最暗的恒星。(当然还有很多“失败的恒星”,即所谓的褐矮星。)
那么是什么赋予了这些不同种类的恒星,拥有各自独特的颜色和亮度?
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简单的答案是“恒星不同的质量”,这个因素是唯一决定恒星一生命运的因素。因为不管什么类型的恒星,它们的初始组成的材料基本上是一致的,由大量的氢和少量的氦组成。
而这些恒星之所以会发光,是因为它们的核心发生了核聚变。气体云在引力作用下发生集聚以后,质量最少要达到2.5万个地球的质量,即使是质量最低的m级恒星也会收缩成原恒星,温度急剧升高,核心的密度和温度足以引发一场自我维持的核聚变反应。
【是什么决定了恒星的命运?不同阶段的恒星消耗燃料的速度是多少?】
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质子-质子链融合过程。
我们知道恒星有不同的颜色,既蓝又亮、既然红又暗!
那么是什么让一颗恒星表现得如此蓝而亮,而不是红而暗,两者之间的主要区别与恒星内部的温度有关!例如,在太阳内部,最核心的温度大约是1500万开尔文,核聚变在核心处发生的最快。
但是当我们从恒星的核心越往外走,温度就越低,但是核聚变的速率会随着温度的下降呈指数级的方式下降!当我们离开太阳核心25%的时候,温度下降了不到两倍,而这时的核聚变速率还不到核心的1% !
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所以质量决定了核心的温度和密度,而温度又决定了核心的核反应速率,并且影响巨大。
这就是为什么一个温度只有太阳一半的恒星可以存活的时间更久,甚至是太阳年龄的数百倍,而一个质量非常大、温度非常高的恒星,比如质量是太阳260倍的R136a1(下面星团的中心)的寿命十分短,还不到太阳年龄的0.1%。
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不同元素在恒星的核心是如何燃烧的
一颗恒星的质量在其出生时就已经注定了,也就说它的命运早已注定。当它们在生命中燃烧燃料的时候,其中乏燃料的区域就会开始收缩,恒星内部的温度升高!这意味着核心更大的区域可以融合任何正在燃烧的燃料,同时融合的速率也会上升。
除此之外,这也意味着随着恒星年龄的增长,恒星的温度和光度都将逐渐升高。
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恒星在其生命周期内会产生一定的辐射压力,这些高能辐射(主要时伽马射线)需要从恒星的所有层中释放出来,来支撑恒星抵抗引力坍缩。目前太阳的半径是恒定的,因为太阳表面的向外辐射的压力大致与向内的引力相同。但是,当恒星的核心(恒星的任何一层都一样)耗尽所燃烧的燃料时,辐射压力就会急剧下降,并开始在引力的作用下收缩。
接下里有两种选择:要么核心可以充分的收缩和升温,以点燃更多的聚变,无论是氢、氦,还是在最大规模的恒星中的碳聚变或其他更重元素的聚变;要么恒星核心开始保持惰性,因为恒星质量较小的缘故,无法收缩升温到足以燃烧下一阶段的燃料,在这种情况下,恒星生命的终点就即将来临。
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