星星電力公司:觀察恆星的核融合反應,了解恆星的生老病死——《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》

  • 文/國立清華大學天文研究所教授 潘國全

「天若有情天亦老。」

──李賀,《金銅仙人辭漢歌》

恆星之所以取名為恆星,是因為古時人們相信恆星永恆不變,象徵著完美與無限。然而事實上並沒有什麼東西是永恆不變與完美的,恆星也如同人一般有著生老病死,只是恆星的一生可能橫跨數百萬到數百億年1,遠多於你我的壽命,更長於人類的文明。

太陽是離我們最近的一顆恆星,目前的年紀約為 46 億年,天文學家預測它大概還可以再持續發光 50 億年以上。這麼長的時間,天文學家如何瞭解太陽是怎麼演化的呢?其他的星星與太陽到底有何不同?到底是什麼能量讓太陽能夠發光?為什麼有些星星看起來是不同的顏色?

對於太陽,我們可以假設太陽系的地球與其他行星、小行星是在類似的時間形成,所以研究地球內部的結構、隕石的成分等都可以間接幫助我們瞭解太陽,但這樣的研究方式卻沒辦法運用到其他恆星。

距離我們最近的恆星——太陽(Credits: NASA/SDO)圖/三民提供

我們可以用統計的方式來瞭解星星。假想你在觀察某一所小學學生的身高分布,雖然學生之間有高矮胖瘦等差異,但在不同年級的教室裡,可能會發現年級與學生的身高呈現正相關分布。

整體來看,愈高年級的學生身高愈高,所以你不必等小學一年級的學生升到六年級,就可以推斷六年級學生的平均身高比一年級學生高。觀察星星也是如此,而星星的命名中也有類似的意味,好比說矮星(dwarf,又有侏儒的意思)與巨星(giant,巨人)。

那星星的學校在哪裡呢?事實上,大部分的星星並不孤單,有很多「雙星」或「三星」的系統,更有一種組成叫做「星團」,是由數百到數百萬顆星星所組成的。星團裡的星星,每顆都有不同的質量,但卻在相近的時間一起誕生,而不同質量的星星有著不同的演化過程和壽命。

顯示恆星演化過程的「赫羅圖」

丹麥天文學家赫茲普龍 (Ejnar Hertzsprung) 與美國天文學家羅素 (Henry N. Russell) 分別提出把恆星的光譜類型與光度2畫在一起的關係圖,後來命名為赫羅圖

天文學家發現這樣的關係圖對瞭解恆星演化非常有幫助:恆星的光譜類型同時代表著恆星的表面等效溫度,恆星愈藍代表溫度愈高(正所謂爐火純青,藍色的火焰比黃色的火焰高溫)。如果我們對不同的星團畫赫羅圖,可以發現不同年齡的恆星在赫羅圖上有不同的分布。

赫羅圖是恆星的星等(或亮度)對光譜類型(或等效溫度)的關係圖,可以用來顯示恆星演化的過程。(Credits: ESO) 圖/三民提供

天文學家發現大部分的年輕恆星都分布在圖中的對角線—那條稱作主序星 (main sequence stars) 的地帶,而質量愈大的恆星位在愈靠近圖中左上的部分(高亮度、高溫度),且演化得愈快(壽命短);質量愈小的恆星則愈紅、愈暗淡,位在赫羅圖右下方。

究竟是什麼讓太陽可以維持目前的亮度這麼多年呢?太陽的亮度約為 3.8×1026 瓦特,每秒鐘所放出的能量比全人類整年所消耗的能量(約為 2×1013 瓦特)還多。那麼高的能量到底是怎麼來的呢?

當物理學家發現核反應以及愛因斯坦的  \( E= mc^{2} \)  後,馬上就意識到太陽的能量是來自氫的核融合反應,而氫又是宇宙中最常見的一種元素,因此可以推斷恆星最開始的光芒都來自於氫的核融合反應,只是不同質量的恆星因為壓力與溫度不同,氫的核融合有不同的反應速率,導致它們演化的速度不同。

不同元素的核融合所需溫度
反應溫度 (K)
氘核融合 ~ 106
鋰核融合 ~ (2~3)×106
氫核融合 ~ (1~4)×107
氦核融合 ~ (1~2)×108
碳核融合 ~ (6~8)×108
氖核融合 ~ (1.2~1.4)×109
氧核融合 ~ (1.5~2.2)×109
矽核融合 ~ (3~4)×109

而氫燃燒完後,不同質量的恆星也因為重力造成的壓力不同而有完全不同的命運。概略來說,恆星依其質量可以分成三個種類:極低質量恆星低質量恆星,以及大質量恆星

極低質量恆星

在極低質量恆星之中,質量介於約 10~80 倍木星質量3之間的恆星又稱為棕矮星 (brown dwarf);質量小於這個範圍則稱為次棕矮星 (sub­brown dwarf);稍大一點則稱為紅矮星 (red dwarf)。

太陽與紅矮星、棕矮星、木星之間的比較。圖/wikimedia

與太陽和一般的主序星不同,棕矮星因為重力微弱,核心內部的溫度和壓力不足以點燃氫的核融合反應,因此內部主要是氘在進行核融合反應,只能發出非常微弱的光芒。次棕矮星的質量更小,連氘的核融合反應都無法點燃,有些天文學家甚至還在爭論次棕矮星與行星(譬如木星)之間如何劃分。

紅矮星的質量大約介於 0.08~0.5 倍太陽質量,而且表面溫度低於 4,000 K。紅矮星的質量小,溫度低,暗淡不易觀測,但數量龐大。目前估計銀河系中約有六、七成的星星屬於紅矮星。紅矮星的光和熱主要來自氫融合成氦4

目前恆星演化模型認為紅矮星是完全對流的,也就是核心產生的氦會對流至表面,使星球所有的成分均勻混合,延長反應時間。因此,理論上紅矮星的壽命非常長,目前普遍相信宇宙中所有的紅矮星都還沒有演化到下一個階段。如果紅矮星的氫燃燒完畢,將演化為一種目前仍未觀測到,純為理論預測的恆星—藍矮星 (blue dwarf)。

低質量恆星

低質量恆星的質量大約介於 0.5~8 倍太陽質量之間。

演化初期,低質量恆星主要是靠氫融合成氦的核反應;質量較小的恆星主要是透過質子—質子連鎖反應;而質量較大的恆星主要則靠碳氮氧融合循環 (CNO cycle) 來產生氦。在核心燃燒氫的這個階段稱為主序星,太陽目前就處在主序星階段,其內部溫度高達攝氏千萬度。

數十億年後,恆星核心內的氫將逐漸用盡,轉變以氦為主,而核心外圍則有一層氫燃燒的球層。此時內部的溫度仍不足以點燃氦的核反應,在赫羅圖上的演化階段從主序星帶慢慢往上方偏移,進入次巨星 (subgiant) 階段,它們與主序星有類似的光譜類型,但較為明亮。

這個階段主要是燃燒氦核外面的氫層。由於恆星內部的核反應停止,核融合產生的能量無法對抗重力的坍縮,因此內部的氦核會漸漸轉變為量子簡併的狀態,核心慢慢縮小,溫度和密度則漸漸增加(溫度約為一億度),但外層反而漸漸冷卻膨脹而轉變為紅巨星 (red giant)。

生生不息的恆星演化生命循環 (Credits: star formation: NASA/JPL­Caltech/UCLA; proto­star: NASA/ESA/the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/IPHAS; sun, red dwarf, supernova explosion & neutron star: NASA; planetary nebula: ESO/VISTA/J. Emerson; red supergiant & black hole: NASA/Ames/STSCl/G. Bacon) 圖/三民提供

當核心內部的溫度最終達到足以點燃氦的核融合反應,使氦核心不再是簡併狀態而快速膨脹,此即氦閃 (helium flash)。核心的氦透過三氦過程 (triple­alpha process)融合成碳,效率比氫的核反應高非常多。這時核心內部達到新的平衡,在赫羅圖上從紅巨星階段往左邊平行移動,稱為水平分支 (horizontal branch)。

如同氫一般,最終核心的氦也將用盡,進入漸近巨星分支 (asymptotic giant branch),此時恆星內部將再度變回簡併狀態而成為一顆白矮星 (white dwarf),而外層由於劇烈的恆星風不斷將物質吹出,形成行星狀星雲 (planetary nebula)。低質量恆星的重力不足以使內部再度點燃碳的核反應。

大質量恆星

大於 8 倍太陽質量的大質量恆星,由於重力很強大,內部的氫燃燒完就只剩外層在燃燒,其溫度足以點燃氦的核反應,所以不會產生簡併狀態的核心,甚至可以一路燃燒下去,演化為超巨星 (supergiant)。

蟹狀星雲是一顆恆星爆炸粉碎成為超新星之後的殘骸。圖/wikimedia

演化到最後,恆星內部會形成一個簡併的鐵核心,外圍則如洋蔥般依序圍繞著矽、氧、氖、碳、氦與最外圍的氫。比鐵輕的元素可以透過核融合放出能量,但是鐵非常穩定,如果要融合出超過鐵的元素反而需要給予能量,因此大質量恆星的核融合反應只會達到鐵。

簡併的鐵核是有質量上限的,當重力超過簡併壓力所能負擔的極限,核心會發生坍縮,形成超新星。而在超新星爆炸後,依其質量與內部結構的不同分布可能留下一顆中子星黑洞

總有一天地球會被吞食?

圖/pixabay

不管是低質量恆星產生的行星狀星雲,或是大質量恆星產生的超新星殘骸,最終回歸宇宙中的雲氣會再度形成第二代的恆星,生生不息地循環下去。我們的太陽也註定在約 5 億年後慢慢演化成紅巨星,其體積將會膨脹,除了吞食水星和金星,甚至可能會把地球也吞沒,屆時人類必定要離開地球(如果那時人類還存在)。

在進入紅巨星的階段之前,太陽演化至次巨星時,強烈的亮度會使地球升溫,溫度就像目前的金星,使地球不適合生物居住。幾億年看似還有好久,我們或許還不需要太在意,但在宇宙的某個角落,或許有某個文明正在經歷不得不離開母星的命運也說不定呢!

註解:

  1. 宇宙目前的壽命也只有約 140 億年。
  2. 光度:luminosity,天體每秒從其表面所輻射出的總能量。
  3. 木星質量約為太陽質量的千分之一或地球質量的 320 倍。
  4. 透過質子—質子連鎖反應,protonproton chain。

——本文摘自泛科學 2019 年 12 月選書《蔚為奇談!宇宙人的天文百科》,2019 年 11 月,三民出版

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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