Starrix 星匯點 – 天體物理學: 恆生演化簡論

天體物理學: 恆生演化簡論

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。