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全宇宙速度最快波霎星現身了?

臺北天文館_96
・2012/07/15 ・1519字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

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有了錢卓太空望遠鏡、XMM-牛頓太空觀測站和地面上的澳洲Parkes電波天文台的三管齊下,全宇宙移動速度最快的波霎可能已經現身!

「速度最快波霎」的記錄可能已經刷新,證據就在這張合成影像中,分別是錢卓太空望遠鏡的X射線(綠色),XMM-牛頓X射線觀測衛星(紫色)和已疊加了2MASS二微米巡天觀測及DSS數位巡天計畫在一起的紅外線/可見光波段的(白色)。

XMM-牛頓觀測衛星所見的大區域瀰散狀X射線,是一顆大質量恆星在發生超新星爆發時,現場所留下的大片殘骸所產生的,也就是正式名稱為SNR MSH 11-61A的超新星遺跡。超新星爆發產生衝擊波,加熱週圍附近氣體,溫度高達幾百萬K,也使得超新星殘骸在X射線波段發出明亮的光。

右上角標示”Chandra Close-up”的局部放大圖框中,看到的是一個位置在超新星殘骸範圍外,形狀像彗星的X射線源,這個X射線源由一個點狀天體拖著一條長度達3光年的尾巴共組而成。遺骸區附近的明亮恆星,包括位置正好在SNR MSH11-16A殘骸區裡的恆星,應該都是前景星,與超新星遺跡本身無關。

由於圖中這個綠色點狀X射線源是由國際γ射線天文物理實驗室(INTEGRAL, International Gamma-Ray Astrophysics Laboratory)發現的,所以命名也是以IGR起頭,稱為IGR J11014-6103 (或短名: IGR J11014)。它可能是一顆快速自旋、密度超高的恆星 (也是中子星的一種,另一別稱則叫「波霎」) ,它在爆發時被彈出,這麼一來,它便以超新星遺跡的中心為起跑點,開始用高達幾百萬公里的時速向外狂奔。

關於X射線輻射尾端的形成機制,目前有一個大家比較能接受的解釋是:波霎所生的高能粒子風,波霎星風,是高能粒子因波霎的高速所產生的弓形震波的緣故而掃向後方。(有類似的另一個例子: PSR B1957+20)

這個被拉長了的X射線源是具有方向性的,它指向了MSH 11-61A,同時那也應該是原來波霎形成的位置所在,因為這個特徵,所以錢卓望遠鏡所觀測到的這個影像應是由波霎星風和弓形震波共同組成的這個觀點獲得了支持。錢卓望遠鏡觀測到的影像還有另一個有趣的特徵,並且XMM-牛頓觀測衛星也同樣觀測到了一樣的現象:在X射線波段裡,有個微弱的X射線尾朝右上方延伸。成因不明,不過並非首次看到波霎尾巴和波霎本身運動方向不一的現象。

從較早的觀測結果估計,圖像中的這個MSH 11-61A應該有15,000歲,它的位置距離地球3萬光年遠。有了這些數值,再合併考量IGR J11014是來自MSH 11-61A的中央,其中間所經過的距離,天文學者估計而得出:IGR J11014的移動速度,時速大約等於870公里到1,040公里左右。

另一顆同樣伴隨在超新星殘骸區域附近出現的中子星,速度上又能和IGR J11014一較高下者,僅剩下G350.1-0.3而已,估計時速大約是480公里到970公里。

這兩者所擁有的速度雖高,不過都只是天文學者暫時性的預估所得,必須進一步查證才行,如果獲得確認的話,那麼,解釋中子星為什麼會以這麼高的速度移動,將會對既有的超新星爆發理論帶來新挑戰。

在做成結論並且確認「IGR J11014是所有波霎當中腳程最快的『飛毛腿』第一名」之前,還有一項特別聲明:請注意CSIRO的Parkes地面電波望遠鏡說,它尚未獲得和該中子星有週期性轉動的相關偵測結果。但是,以一個距離我們有3萬光年那麼遠的波霎而言,「偵測不到」其週期性轉動,卻並不叫人意外。

還好有其他證據確實能支持所觀測到的是一顆波霎沒錯。首先第一號證據是,相對於X射線源,光學或紅外線波段取得的影像並沒有這個物體-因為波霎這類天體在這些波段裡訊號通常相當微弱。同時,兩相比較XMM-牛頓觀測衛星於2003年的觀測以及錢卓太空望遠鏡在2011年的觀測,兩者在亮度上都沒有出現明顯的變化,這正符合一顆波霎應有的行為模式。最後還有一項證據是,分析X射線源光譜在能量中所留的訊跡,那也和天文學家認定為波霎的一些特徵相符合。

上述研究成果獲刊於2012年5月10的Astrophysical Journal Letters。

資料來源:中研院天文網[201207.06]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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宇宙「新」光──新星、超新星與千級新星
全國大學天文社聯盟
・2022/03/30 ・4272字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 文/語星葉,與一隻米克斯黑狗簡單地生活在新竹,正在努力成為天文學家。

看星星,是大多數人接觸天文的契機。現今,看見滿天星斗對於被光害荼毒的都市人而言是一種奢侈,相較於古時夜無燈火,總有許多靜謐無光的夜晚,能讓人們一同仰望星空,思索空中的奧秘。多數星星安靜地閃爍,被人類賦予神話故事,成了現在為人所知的「星座」。另外,有少數幾顆不安分地移動著,它們的移動方式看似有規則,有時候卻會逆行,這些在天空中漫遊的星星,我們就稱之為「行星」 。

在極少數的情況,我們會發現過去未曾注意到的星點,猶如初來乍到的旅客,古時中國稱之為「客星」 [註一]。現在我們知道,這些看似新生的星,實則氣數已盡。利用強大的各波段望遠鏡,人類偵測到大量「新」光,並提出多種機制來解釋星光快速且劇烈改變的現象。

本文將介紹 3+1 種天文現象,分別為「新星(Nova)」、「超新星(Supernova)」和「極亮超新星(Superluminous supernova / Hypernova)」,以及「千級新星(Kilonova)」。前兩者的觀測歷史源遠流長,後兩者則歸功於現代發達的觀測技術,才讓我們得以一探究竟。

蟹狀星雲,古時中國稱之為天關客星,為西元 1054 年的超新星爆炸殘骸。圖/NASA, ESA, J. Hester and A. Loll (Arizona State University)

新星:我可一點都不年輕!

新星(Nova)來自拉丁文,有 「new」 之意。過去,人們仰望寧靜無波(一成不變)的星空時,若是偶然發現從未見過的星星,便稱之為「新星」。但如今我們知道,新星其實不是剛誕生的星,而是古老的小質量恆星,會在它們的生命終章──白矮星時期,突然變得異常明亮。

白矮星是小質量恆星死亡後的產物,緻密、溫度高,但亮度低,平常不易觀測。一般而言,白矮星是非常穩定的天體,但如果身邊有個伴,情況就不同了。若是白矮星和伴星互繞的距離過近,使得伴星的氫被吸向白矮星表面,並在其表面點燃核融合反應,產生劇烈的光度變化,讓白矮星成為用肉眼可見的「新星」。

近年,天文學家發現,新星的出現經常伴隨強烈的伽瑪射線,推測是來自新星爆發時產生的衝擊波。後續研究指出,新星的高光度也是以衝擊波作用為主,而不是來自表面的核融合反應,打破了以往既有的觀點。

藝術家繪製的假想圖。右側的白矮星吸走左側伴星的氫,成為亮度極高的新星。圖/NASA/M.Weiss

超新星──宇宙中的燦爛花火

超新星(Supernova)顧名思義是新星的 Super 版,比「新星」更亮的星星──天文名詞總是取得如此淺顯易懂。超新星的光度遠超越新星,其形成機制也有所不同。

目前科學界認為超新星有兩種不同的形成機制,分別為「熱核超新星(Thermonuclear supernova)」與「核心塌縮超新星(Core-collapse supernova)」。

「熱核超新星(Thermonuclear supernova)」前身和新星一樣是白矮星,差別在於熱核超新星爆炸極具毀滅性。當白矮星的質量增加到「錢德拉賽卡極限(Chanfrasekhar limit)」,也就是臨界值時,引爆其核心的碳元素將劇烈爆炸,將使白矮星灰飛湮滅。質量增加是因為白矮星身邊有個伴,可能是兩個白矮星白頭偕老、最終合併,也可能和新星一樣是老少配,然後白矮星吸走年輕伴星的表面物質。但究竟是哪種配對導致熱核超新星爆炸,天文學家還在熱議。

「核心塌縮超新星(Core-collapse supernova)」則來自大質量恆星核心塌縮後造成的熱壓爆炸。當大質量恆星的核心燃料用罄,無法支撐極強的重力而塌縮時,就會產生巨量的熱能,並向外爆發。整個過程僅以秒計。爆發後,周圍形成漂亮的超新星殘骸,核心則塌縮成中子星或黑洞。

值得一提的是,超新星是少數能夠串聯古今天文學的研究領域。歷史上數個著名的超新星爆發事件,在世界各地的文明史料中皆能發現記錄。目前推測人類文明見過最亮的超新星事件是 SN1006(西元 1006 年),最亮時甚至比啟明更亮 [註二],即使在白天仍可用肉眼看見,而且持續長達數星期。著名的梅西爾天體 M1(蟹狀星雲)也是超新星爆炸後的殘骸,自 1054 年的超新星爆發中產生,相關記錄散見史冊,而且至今仍是天文界炙手可熱的研究對象。

蟹狀星雲之心。 圖/NASA and ESA

+1 的部分:極亮超新星

現代觀測技術的進步使超新星事件變得常見,有多部自動望遠鏡凝視著宇宙虛空,在星際間搜尋著超新星的亮光,這類計畫稱為巡天(Survey)計畫。在眾多的觀測數據中,天文學家注意到一類特別明亮的「極亮超新星」(令人不禁想吐槽天文學家如此單純的命名邏輯),這些超新星比一般情況亮了 2 個數量級以上,並且非常罕見。

到 2017 年止,人類僅觀測到約 100 顆極亮超新星。由於數據過少,天文學家對其形成機制的想像可謂瞎子摸象、暫無定論,目前仍歸類為超新星。那麼,極亮超新星究竟是超新星的超級版,抑或是來自不同的形成機制,唯有持續探向更遙遠無垠的古老宇宙,才有機會揭發這個謎團了。

千級新星──看見宇宙之音

「千級新星」是非常新的天文研究領域,研究過程也極具戲劇性。故事得從科學家研究重力波開始說起。

重力波是重力作用產生的時空漣漪。百年前,愛因斯坦的理論便預測其存在,但重力波非常微弱,連愛因斯坦本人都不相信人類有朝一日能偵測到重力波。直到 2015 年,人類才首次「聽」到兩顆黑洞合併產生的重力波 [註三]。不過,重力波的訊號指向性不佳,難以「聽音辨位」,也就是用重力波訊號回推事件發生地點。若我們能同時「看」到電磁輻射訊號(該事件發出的電磁波),便可蒐集更多更精確的數據,以了解究竟是在宇宙何處發生了什麼事。

令人難過的是,兩顆黑洞合併幾乎不會產生電磁輻射,因此無法用上述的方法獲得更多資訊。

後來,科學家發現,當兩顆中子星合併、或一顆中子星與一顆黑洞合併時,發出的重力波訊號雖較兩顆黑洞合併更弱、也更難偵測,但這兩種事件不只會產生重力波,也會發出電磁輻射,因此是重力波干涉儀的重要偵測目標。2010 年,天文物理學家探討了這兩種合併事件可能的電磁輻射樣態,得出的結論是和新星事件一樣會有劇烈的光度改變,而且最大亮度約是新星的千倍,於是命名為「千級新星(Kilonova)」。

藝術家以動畫展示兩顆中子星通過重力波合併,然後爆炸成千級新星的過程。影/ESO/L. Calçada.

千級新星的發光機制和超新星不同:超新星的光度主要來自爆炸產生的放射性鎳元素衰變,而千級新星則主要來自兩顆中子星,或中子星與黑洞碰撞合併時,大量發生的核反應——「中子捕獲作用」,此類核反應僅在極端物理環境下產生,是形成金、銀、鉛等重元素的重要機制。過去科學家認為宇宙中重元素的生產者是超新星,然而超新星爆炸的觀測數據卻發現,超新星事件發生的中子捕獲作用的「產能」並不足以支撐現有的重金屬比例,因此千級新星便躍上研究舞台,被認為是重元素的主要產地。

2017 年,LIGO 及 VIRGO 重力波干涉儀共同偵測到人類史上第一場雙中子星合併事件 GW170817。當時,世界各地的望遠鏡幾乎都暫時放下常規任務,爭相投入這場觀測馬拉松。最終的成果令人振奮,不但同時偵測到重力波與相應的電磁波源,分析結果也與千級新星理論預測的訊號相符,這代表我們首次觀測到了千級新星!

重力波 GW170817的可見光訊號。圖/Soares-Santos et al. and DES Collaboration

這場盛會更昭示了「多信使天文學」時代的來臨 [註四]。重力波探測與多波段電磁觀測的結合,替人類的宇宙探索之旅翻開嶄新的一頁。今日,科學家們正期待著下一對共舞的緻密天體搖響精密儀器的銀鈴,讓更多未解之謎得以撥雲見日。

藝術家繪製的 GW170817 雙中子星合併事件想像圖。圖/LIGO-Virgo/Frank Elavsky/Northwestern University

宇宙看似恆常不變,然而在無盡好奇的驅使下,人類以最新科技突破既有的感官極限。我們洞見宇宙深邃瞬變的幽光,聆聽時空悠遠微弱的呢喃。宇宙「新」光的無盡奧秘,還有待來日的勤奮深掘。

註解

註一:客星指新出現的星,意義上包含彗星等在太陽系內遊走的天體,惟不在本文範疇。

註二:金星是地球的夜空中最明亮的星,清晨及黃昏也可見。古時稱金星出現於黃昏為「太白」、「長庚」,出現於清晨為「啟明」。

註三:人類聽見的聲音主要來自空氣分子的震盪,只要震盪頻率在 20~20000 Hz 的範圍,並且經由介質傳遞使耳膜震動,我們就能聽見。雖然重力波是時空震盪,無法直接以耳朵聽見,但概念上類似,因此常見到科學家將重力波訊號轉換成「音訊」,方便人們感受。

註四:多信使天文學(Multi-messenger astronomy)指利用多種訊號探索宇宙的現象。不同於早期僅以可見光探看宇宙,人類如今能夠探測光子、電磁波、微中子、重力波和宇宙射線等高能帶電粒子。透過這些訊號,可以傳達不同面向的資訊,協助我們拼湊出單一宇宙現象更細緻的原貌。GW170817 事件除了以重力波和電磁輻射觀測,亦有微中子觀測站參與,只是沒有找到相關聯的微中子訊號,因此理論在這方面尚未證實,有待解惑。

延伸閱讀

參考資料

  1. Li, KL., Metzger, B.D., Chomiuk, L. et al. (2017). A nova outburst powered by shocks. Nat Astron 1, 697–702. https://doi.org/10.1038/s41550-017-0222-1
  2. Aydi, E., Sokolovsky, K.V., Chomiuk, L. et al. Direct evidence for shock-powered optical emission in a nova. Nat Astron 4, 776–780 (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1070-y
  3. Gal-Yam, A. (2019). The most luminous supernova. Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 57, 305–333. https://doi.org/10.1146/annurev-astro-081817-051819
  4. Metzger, B.D., Martínez-Pinedo, G., Darbha, S., Quataert, E., Arcones, A., Kasen, D., Thomas, R., Nugent, P., Panov, I.V., Zinner, N.T.. (2010). Electromagnetic counterparts of compact object mergers powered by the radioactive decay of r-process nuclei. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 406(4), 2650–2662. https://doi.org/10.1111/j.1365-2966.2010.16864.x
  5. Smartt, S., Chen, TW., Jerkstrand, A. et al. (2017). A kilonova as the electromagnetic counterpart to a gravitational-wave source. Nature 55175–79 . https://doi.org/10.1038/nature24303
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讓人們窺見宇宙天體的真面目 ——哈伯太空望遠鏡
科技大觀園_96
・2021/10/11 ・2164字 ・閱讀時間約 4 分鐘

以哈伯望遠鏡觀測的經典天文照片

哈伯太空望遠鏡(Hubble Space Telescope)在 1990 年 4 月 24 日發射升空,今年歡慶 31 週年。這座舉世聞名的望遠鏡,以前所未有的解析度與靈敏度,讓人們窺見宇宙中許多天體的真面目。 

哈伯望遠鏡基本資料。(圖/沈佩泠製表)

哈伯望遠鏡網站上,經常公布五彩繽紛的天文照片。大家可能不知道,許多經典的天文照片,幕後推手是中央研究院天文及天文物理研究所所長朱有花。朱有花在 2014 年返回臺灣之前,是美國伊利諾大學天文系教授,長期使用哈伯望遠鏡進行研究。她拍的許多天體影像,經過哈伯望遠鏡後製團隊巧奪天工之手,變成網路上廣為流傳的經典照片。

朱有花的一件得意作品,是 NGC 3603 星雲的照片。這張照片在 2000 年 1 月登上《國家地理雜誌》封面。朱有花說,當時她剛好有訂閱雜誌,收到雜誌才發現,封面竟然是自己的觀測影像,於是立刻打開來看,想知道內文如何介紹他們的成果。結果發現書中內容與這張照片毫無關係,只是因為雜誌編輯很喜歡這張照片,而將它放在封面。 

NGC3603 照片登上《國家地理雜誌》封面。(圖/朱有花提供)

經典天文照片,藏著對宇宙的問題與解答 

哈伯望遠鏡拍攝的照片不只是美麗,更重要的是提供許多科學訊息。在 NGC 3603 星雲照片的左上角(雜誌封面的字母 G 上方)有一顆藍超巨星,與著名的超新星 1987A 的前身星相似。早先地面望遠鏡在這顆星周圍偵測到恆星拋出的物質,引起朱有花的興趣,於是她利用哈伯望遠鏡的高解析度,看見了清楚的環狀構造,發現半徑與超新星 1987A 周圍的環相近。朱有花認為,這顆藍超巨星大概很快就會爆炸,說不定會成為 21 世紀銀河系內的第一顆超新星!

在 NGC 3603 星雲的照片中間,還可看到一個星團,而星團中的大質量恆星把周圍氣體吹出一個氣泡。恆星風吹出的氣泡,也是朱有花利用哈伯望遠鏡研究的重要課題。

「大質量恆星都會吹出氣泡嗎?」朱有花在 1976 年讀博士班的時候,就提出這個問題。理論上,大質量恆星都會吹出氣泡,然而大多數恆星的影像中,都無法看到氣泡。到了 1990 年代,朱有花就想,假如氣泡真的存在,那哈伯望遠鏡總該看得到了吧!

然而觀測結果出爐後,卻發現仍然看不見氣泡。不過,朱有花利用光譜做動力學分析,確實找到了膨脹的氣泡。原來是因為氣泡膨脹速度太慢,約每秒 10-15 公里,只比宇宙中游離化氣體的聲速快一點(相較於地表,這些氣體密度很低、溫度很高,因此聲速快很多),因此震波(shock wave)微弱,不容易用影像拍攝的方式偵測。簡而言之,氣泡真的存在,只不過拍照拍不出來。經過 25 年努力,朱有花的疑惑終於得到解答!

朱有花也曾用哈伯望遠鏡,嘗試在超新星殘骸 N63A 尋找氣泡,結果沒有看到氣泡,卻看到許多微小的雲氣團塊。這些團塊被超新星殘骸快速膨脹的震波侵襲、加熱,正在蒸發。這個奇特的現象,讓人們窺見星雲之中複雜的交互作用。哈伯拍攝到的 N63A 影像相當特殊,但僅能看到雲氣團塊,無法看到超新星殘骸的球形外殼,需要 X 射線望遠鏡才能掌握全貌。 

超新星殘骸 N63A 的多波段影像,右上區域金黃色的團塊是哈伯拍攝的可見光,外圍球殼狀構造則是 X 射線。(圖/Enhanced Image by Judy Schmidt (CC BY-NC-SA) based on images provided courtesy of NASA/CXC/SAO & NASA/STScI.)

2014 年回到臺灣後,朱有花主持科技部計畫,利用哈伯望遠鏡的資料研究 Ia 型超新星殘骸的起源。Ia 型超新星的爆炸機制,目前有兩種主流的說法:「一顆白矮星吸取伴星的物質而爆炸」,以及「兩顆白矮星合併而爆炸」。如果以第一種機制爆炸,伴星理論上會存活下來,因此若能找到存活的伴星,就是第一種機制的重要佐證。2017 年,朱有花與指導的學生李傳睿(現為中研院天文所博士後研究)合作,在超新星殘骸 N103B 尋找存活下來的伴星,找到一顆可能是伴星的星球,並在《天文物理期刊》發表成果。 

哈伯望遠鏡拍攝的超新星殘骸 N103B(左上)及其周遭環境。(圖/歐柏昇製圖)

想使用哈伯望遠鏡,先提出觀測計畫 

朱有花能夠用哈伯望遠鏡拍攝這麼多影像,並非易事。事實上,想要使用哈伯望遠鏡,必須先提出觀測計畫,與全世界天文學家激烈競爭,以 2019 年來說,只有不到 20% 的觀測計畫通過。朱有花說,競爭到最後還是有點運氣成分,許多自認完美的計畫最後失敗了,反而有些倉促完成的計畫書,竟然無心插柳柳成蔭。光是爭取望遠鏡時間,天文學家就有不少甘苦談。

除了主動爭取觀測時間之外,朱有花也常利用哈伯的資料庫做研究。筆者在朱有花老師門下,亦有從資料庫中挖到寶的經驗。哈伯望遠鏡 30 年來累積了大量珍貴的數據,仍蘊藏許多人們未曾發掘的資訊。

哈伯望遠鏡拍攝的每一張美麗照片,背後都有天文學家的艱辛,以及豐富的科學內涵。欣賞照片的同時,不妨試著了解,人們如何透過這些照片,認識宇宙精彩的面貌。

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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》
三民書局_96
・2019/12/20 ・3803字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

  • 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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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。