6 月 12, 2015 Einstein 天文資料庫, 專題文章 0
在天文學研究當中,有一張圖是必須要知道的,就是著名的赫——羅圖(Hertzsprung-Russell diagram, H-R diagram)。H-R diagram顯示出恆星的溫度與光度關係。H-R diagram顯示出一個強烈的信息:恆星會演化,恆星並非如我們所想像般永恆。現在,就讓我們一步一步了解這張圖吧。
圖一:H-R diagram (Credit: K.S. Cheng, H.F. Chau & K.M. Lee, Dept. of Physics, HKU)
H-R diagram中的每一個點都代表一顆恆星。通常天文學家只會把同一個星團或星系內的恆星放進同一張H-R diagram裡。從H-R diagram被發明以來,科學家們一直被這樣一個問題困擾:究竟這樣的星星分佈方式,是暗示(一)恆星會演化還是(二)恆星不會演化,但有許多種類?
但我們如何才能夠分辨出是(一)還是(二)呢?答案就在於我們知道被觀察的星星的年齡與否。如果恆星會演化,那我們期望在觀察到的不同年齡的恆星群的H-R diagram中,恆星於圖中的分佈情況應該不同。換句話說,假如恆星演化是正確的,那麼恆星於H-R diagram中的分佈與恆星群的年齡有關。另一方面, 如果恆星不會演化,只是有許多種類的話,那麼我們期望在觀察到的不同年齡的恆星群的H-R diagram的分佈會大致相同。[註一]
根據觀測結果,不同年齡的恆星群有著不一樣的H-R diagram,而且年齡相近的恆星群的H-R diagram也十分相似。因此,恆星演化已成為天文學的基礎理論之一,恆星演化的物理過程的研究工作也愈來愈深入。雖然如此,這並非等於說宇宙中的恆星只有一個種類,事實上恆星因為其物理因素而被分成許多種類,方便研究。而種類之間的分別,主要在於恆星的質量。
圖二:一張簡單的H-R diagram,簡略顯示了太陽的演化過程。(Credit: Vitecek)
恆星質量愈大,當然其體積也愈大。我們的太陽是一顆中等偏小的恆星,宇宙中存在比太陽直徑大幾十甚至幾百倍的巨星、超巨星。根據牛頓引力理論,質量愈大,引力也愈強。恆星的引力把自身向中心拉扯,使得其中心溫度達到幾百萬度的高溫,引發熱核反應放出更多熱能,令向外的氣體壓力得以平衡向內的萬有引力,這就是太陽能夠持續穩定幾十億年綻放光芒的原因。而地球則有賴這段時間發展出生命。沿著食物鏈 (food chain) 一路探索,我們發現肉食性動物會捕食草食性動物,也發現許多海洋生物以微生物為生。而植物和許多微生物都是靠太陽光製造食物。所以說,地球上所有生命的能量來源都是太陽。而使生命得以持續繁衍的,正是氣體壓力與萬有引力之間的比拼不相伯仲的結果。當一顆恆星處於這段持續穩定的時期,我們叫它做「主序星」(Main Sequence Star)。
太陽以氫作為熱核反應的「燃料」。幾十億年之後,當所有氫燃料都用盡了後,太陽便會脫離「主序星」的狀態,慢慢演化成白矮星、中子星或者黑洞,終結其一生。不同質量的恆星有著不同的演化命運,而其壽命長度亦不相同。比太陽重的恆星,因為其壓力、溫度之高,熱核反應進行得更快,所以會比太陽更加早到達演化的終站。以我們的太陽為例,顯示了恆星其中一種可能的演化過程。
圖三:太陽的演化過程。由原恆星開始,經歷主序星、紅巨星各個階段,其外層因強烈的太陽風而向外拋出形成行星狀星雲,最終以白矮星的方式結束其一生。
上期 (2009-12月號會訊) 提過,要描述一個物件的結構和狀態,我們需要知道它的「物態方程」(equation of state, EOS)。所以於下期 (2010-6月號會訊)「理論天文」中,我們會討論一個常用於天體物理學的EOS,也會討論天體結構如何取得平衡。
[註一]
這是基於宇宙學的基本假設:宇宙中所有恆星分佈是「各向同性」(isotropic) 及「各處同性」(homogeneous)。而近年已經能夠證實,宇宙在百萬秒差距 (Mpc) 的距離上的確是「各向同性」及「各處同性」的。見圖四。
圖四:宇宙在百萬秒差距 (Mpc) 的距離上顯示出「各向同性」及「各處同性」。(Credit: William Schaap)
本文首次發表於 2010年3月號會訊中
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