【中華百科全書●科學●星球演化論】

楊籍富

【中華百科全書●科學●星球演化論】

 

星球演化論，乃探討恆星之起源、演進，與歸宿之學。

 

吾人於晴朗之夜，仰觀天象，則見滿天星斗瀰漫碧空，其中大部分皆屬恆星，而太陽?

 

為與吾人距離最近之典型恆星。

 

明月、行星及慧星，固常引起騷人墨客之雅懷遐思，惟在天文學上僅扮演輕微腳色。

 

宇宙中如無恆星，則不可能產生如地球之行星，更無法化育有智慧之生命以欣賞大自然之神奇奧妙。

 

星球雖非永恆，而人生苦短，是故個別星球之誕生與結局，無從觀察，惟吾人可經由研究眾多星球之不同演進階段而了解其生命史。

 

如欲探討星球之演進過程，首應闡明星球之分類及其在H-R（Hertzsprung-Russell）圖形上之分布情形。

 

此圖之橫座標，由左向右遞減，表示星球之溫度，其縱座標表示星球之發光度（Luminosity），圖上每一點代表一星球。

 

此圖上之星球，共有四群，約有百分之九十星球係位於長而寬之S形帶狀區域。

 

此帶由左上方向右下方延伸，稱為主星系（MainSequenceStars），其中之星球包括織女星、天狼星、太陽、紅矮星，與橘黃矮星等，統稱為矮星，而太陽稱為G型矮星。

 

主星系之右上方，幾呈水平帶狀分布之星群，則均為巨星（Giants），其中星球皆為紅色或黃色之亮星，其平均發光度在太陽之百倍以上。

 

在此巨星系上方尚有其他紅色或黃色星球，呈傾斜帶狀分布，其中星球皆為超巨星（Supergiants），其發光度更大。

 

圖中左下方與主星系幾呈平行排列者為白矮星（WhiteDwarfs）。

 

如忽略星球之自轉與磁揚，則大致言之，任何星球在任何階段中之結構，均由其質量與化學成分所決定，而以氫與氦含量之影響最為顯著。

 

因星球藉核子融合反應，將氫變成氦，因而獲得巨大能量，故隨星球年齡之增加，其化學成分隨之改變。

 

由此可見，星球在出H-R圖中之位置，係由其質量、化學組成與年齡所決定。

 

由於不同星球化學組成之差異不大，故星球質量乃決定其演進過程之最主要因素。

 

茲將星球之演進過程，扼要地闡述於次。

 

見圖一宇宙形成初期，太空充滿氫氣，由於氫氣質量分配並不十分均勻，局部重力收縮相繼發生，終於演變而成星雲（Galaxy）。

 

星雲亦稱銀河系、星系、星河，或稱宇宙島，而星球則由存於星雲中之氣體及塵埃所產生。

 

如星雲中某處雲氣與灰塵之密度，因受亂流影響而高於其周圍，則其附近之雲氣與塵埃?

 

開始收縮。

 

在收縮過程中所釋放之萬有引力位能，據活力定理（VirialTheorem)，乃均分為兩部分，其中之半轉化為氣體之熱能，使溫度昇高，另一半向外輻射，而為準星球之能源。

 

在準星球形成初期，溫度不高，重力不大，故亮度較低。

 

當原始星球繼續收縮演化時，其體積逐漸減小，表面引力增加，內部溫度不斷增高，當溫度高達足以引發氫融合反應時，則因核子反應所產生之巨大能量，足以彌補由重力收縮所損失之位能，收縮隨告停止。

 

此刻星球已在星雲中正式誕生，而以氫融合反應為其能源。

 

此後星球能在H-R圖形之主星系中誕生之點長久停留，而開始其光芒燦爛之一生。

 

氫與氨乃宇宙中含量最豐之元素，而觀測與理論之證據，皆顯示重元素係由輕元素融合而成，是以吾人似可推斷由氫融合成氦之某種過程顯係主星系中星球之核子反應能源。

 

由氫融合成氦之實際過程有兩種，即質子與質子連鎖反應（Proton-protonChain），與碳氮循環（CarbonNitrogenCycle）。

 

在質子與質子反應中，兩質子互相碰撞而形成重氫，並放出一正電子與微中子。

 

在正常情況下，兩質子相撞之機會，微不足道，惟在星球內部因密度甚高，故其碰撞之或然率顯著增加。

 

重氫形成之後，因其本身不穩定，隨?

 

捕獲另一質子而形成質量為三原子單位之氦同位素，然後兩個氦同位素相繼結合，構成穩定之氦原子，並放出兩質子。

 

由此可知，每一氦原子形成之時，其整個連鎖反應必須四個氫原子。

 

因氦原子之質量小於四個氫原子質量之和，故部分氫原子之質量在反應過程中，根據愛因斯坦質能變換定律轉變成星球之能源。

 

並非所有質子與質子連鎖反應所釋放之能量皆能轉變而維持星球之發光度，因部分能量係由微中子帶走。

 

因微中子幾不與物質相作用，在質子與質子反應中產生後，隨即以光速飛逃，其所帶走之動能，因而損失。

 

至於反應中所產生之正電子，因能與電子相作用，而轉化為光子，故對星球之發光度有所貢獻。

 

碳氮循環則屬另一類，在此循環中，碳與氮可視為觸媒，因在反應過程中，碳與氮並未消耗，但卻為完成連鎖反應所必須。

 

在整個循環中，每次可產生兩個正電子與兩個微中子。

 

正電子隨即與電子作用而轉化為光子，直接貢獻於星球之發光度。

 

微中子產生後?

 

刻由星球內部以光速逃逸。

 

因碳與氮之原子核中質子數目較多，溫度必須升高，使質子獲得足?

 

動能，以克服其與原子核間較強之同性電斥力，質子始得以進入核子之有效範圍，融合反應方能發生。

 

在主星系中，祇有質量大於太陽百分之五十以上之星球內部，方能產生如此高溫。

 

因此，在質量約為太陽一o五倍之星球中，碳氮循環為其主要能源，質子與質子連鎖反應所產生之能量，僅占一小部分。

 

因星球核心部分之氫元素漸漸融合成氦元素，故其內部化學成分由均勻分布轉變成不均勻分布，而星球亦逐漸脫離主星系。

 

星球脫離主星系之過程起初非常緩慢，及其氫元素用盡之後，隨即加速進入H-R圖上之巨星區，在形成巨星前之次巨星階段中，主要能源乃核心外圍之氫融合反應，因此時核心部分之溫度，尚不足以引發氦融合反應以供給能量。

 

由於核心部分無法產生能量，隨即再度發生重力收縮。

 

在收縮過程中釋放之重力位能，使核心部分溫度驟增，而環繞核心外圍之氫融合反應亦隨之加速，卒導至星球外殼之膨脹與星表溫度之降低。

 

紅巨星之名即由此而來，因體積增加而變為巨星，溫度降低而顏色變紅。

 

由於外殼之繼續膨脹與內層之不斷收縮。

 

使內部溫度迅速升高。

 

當核心溫度高達一億度時，氦元素開始融合而產生碳元素。

 

在此氦融合過程中，三氦原子核融合成碳，因氦原子核又稱為阿爾發粒子，故此過程亦稱為三阿爾發過程。

 

此一過程之發展，極為快速。

 

在紅巨星短暫之進化中，氦在一瞬間變成碳而放出巨大能量，猶如閃光爆發，即所謂氦閃光（HeliumFlash)。

 

氦閃光使球核心膨脹，外殼收縮，此後星球變暗變小，其核心之氦融合乃趨穩定。

 

由於近年來觀測與理論之進步，關於晚期星球演化過程，已有相當明確之結論。

 

如前所述，星球質量乃決定其演化過程之最重要因素。

 

由於星球質量之不同，其結局迥異，計有三種不同收場，即白矮星、中子星，及黑洞，其性質各有千秋，而以黑洞最為神祕奧妙、茲分述於次：一、如星球質量小於太陽之一o四借，則當核子燃料用盡以後，即收縮而形成白矮星，其內部由鐵原子核及自由電子所構成。

 

此等自由電子共同產生簡併壓力（DegeneratePressure）以抵抗重力收縮，故能形成穩定之星體。

 

白矮星密度之高，勝於地球上任何物體。

 

質量與太陽相等之白矮星，其大小與地球相若。

 

一般認為白矮星之密度可達每立方公分重數噸至數十噸。

 

此類高密度之白矮星，在吾人所居之銀河星雲（MilkyWayGalaxy）中甚多，即太陽系附近之雙星，亦有此類白矮星，如大犬及小犬星座中最亮之大犬及小犬星。

 

二、如星球質量大於太陽一．四倍，但小於太陽之三倍，則於超新星爆炸（SupernovaExplosion）後形成中子星（NeutronStars）。

 

由於中子星質量龐大而體積甚小，其內部之重力遠超過電子之簡併壓力，故電子被壓入原子核中而與質子結合成中子。

 

此刻原子核已不復存在，整個星體由中子及電子所構成。

 

中子之簡併壓力及核子力可防止星球之繼續崩潰，故能形成穩定之中子星。

 

中子星半徑約為十公里，其密度遠超過白矮星，大小如方糖之「中子星物質」，在地球上重達十億噸。

 

中子星之主要能源乃其自轉動能，其自轉軸與磁軸相垂直。

 

由於中子星之磁場極其強烈（1012高斯），其所發出極光之強度為地球極光之數百萬倍。

 

由於中子星之自轉軸與磁軸幾相垂直，故如觀察者之位置不在自轉軸上空，則皆可見每轉兩次閃光，此種閃光猶如地球上海岸燈塔，故中子星在觀測上亦稱為波射星（Pulsar）。

 

波射星多分布於吾人所居銀河系之平面上，目前已發現之波射在一百五十以上，據估計銀河中至少有十萬波射。

 

如所週知，蟹形雲氣（CrabNebula）乃宋代（西元一○五四年）所發現超新星爆炸之殘餘（SupernovaRemnants）。

 

而理論預期在如此之超新星殘餘之中央應有中子星存在。

 

現已測得在蟹形雲氣中有一旋轉快速之波射，其週期僅○o○三三秒，惟旋轉速度方在緩慢減速之中，而減速過程中所失去之轉動能，乃蟹形雲氣所發出輻射（由愛克斯光至無線電波）之能源。

 

大多數波射之自旋皆在減慢之中，其週期則漸增。

 

波射所發出之閃光，其波長包括無線電波、可見光，乃至愛克斯光及伽馬光（X-rayandGammaRays）。

 

三、如星球質量大於太陽質量之三倍，則電子與中子之簡併壓力皆不足以抵抗星球之巨大重力，無任何已知之作用力能阻止星球之快速收縮，星球隨?

 

崩潰而形成黑洞。

 

據理論推測，其向內崩潰所需時間可短至數小時或數秒，而其崩潰速度甚至可超過光速，故在其崩潰過程中，光子無法向外傳播，即不能發光，是以稱為黑洞。

 

（鄒志剛）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=8378