[科普中國]-紅巨星

介紹

在赫羅圖（ Hertzsprung-Russell diagram）中， 紅巨星分布在主星序區(qū)的右上方的一個相當(dāng)密集的區(qū)域內(nèi)，差不多呈水平走向。

恒星依靠其內(nèi)部的熱核聚變而熊熊燃燒著。核聚變的結(jié)果，是把每四個氫原子核結(jié)合成一個氦原子核，并釋放出大量的原子能，形成輻射壓。處于主星序階段的恒星，核聚變主要在它的中心（核心）部分發(fā)生，輻射壓與它自身收縮的引力相平衡，恒星內(nèi)部氫的燃燒消耗極快，中心形成氦核并且不斷增大。隨著時間的延長，氦核周圍的氫越來越少 ，中心核產(chǎn)生的能量已經(jīng)不足以維持其輻射，于是平衡被打破，引力占了上風(fēng)，有著氦核和氫外殼的恒星在引力作用下收縮坍塌，使其密度、壓強和溫度都急劇升高，氫的燃燒向氦核周圍的一個殼層里推進。這以后恒星演化的過程是：內(nèi)核收縮、外殼膨脹——燃燒殼層內(nèi)部的氦核向內(nèi)收縮并變熱，而其恒星外殼則向外膨脹并不斷變冷，表面溫度大大降低。這個過程僅僅持續(xù)數(shù)十萬年，這顆恒星在迅速膨脹中變?yōu)榧t巨星。氦聚變最后的結(jié)局，是在中心形成一顆白矮星1。

分類特征在赫羅圖上，紅巨星是巨大的非主序星，光譜屬于K或M型。之所以被稱為**紅巨星，**是因為看起來的顏色是紅的，體積又很巨大的緣故。鯨魚座的苧藁增二、金牛座的畢宿五、牧夫座的大角星等都是紅巨星；而天蝎座的心宿二、獵戶座的參宿四、大犬座VY等則是紅超巨星。

大部分的紅巨星，其核心是未聚變的氦，能量由氦核外的氫燃燒包層提供，它們在圖上構(gòu)成了紅巨星分支（RGB星）。另外一些，其核心是碳等更重的元素，外部是在燃燒的氦包層和氫包層，它們構(gòu)成了圖上水平的漸近巨星分支（AGB星）。在恒星大氣中碳含量比氧含量還高的碳星中，AGB星的光譜類型一般屬于C-N到C-R型。

演化質(zhì)量在太陽的9至40倍之間的恒星，在耗盡了核心的氫燃料之后，燃燒將會移至核心外圍的氫氣層。因為惰性的氦核本身沒有能源，便因為重力而收縮并被加熱，在上面的氫也會跟著一起收縮，因此融合的速度會增加，產(chǎn)生更多的能量，導(dǎo)致恒星變得更為明亮(比原來亮1,000～10,000倍)并且使體積膨脹。體積膨脹的程度超過發(fā)光能力的增加，因此表面的有效溫度下降。表面溫度的下降使得恒星的顏色傾向紅色，因此稱為紅巨星。理論上，恒星光譜從A至K的主序星會演化成為紅巨星及紅超巨星，而O與B型的恒星會成為藍超巨星（與紅巨星演化有很多不同處）。

當(dāng)恒星的核心持續(xù)收縮到足以點燃3氦過程的密度和溫度條件，氦融合就會啟動。

對質(zhì)量小于2.5倍太陽的恒星而言，氦核心需要持續(xù)收縮以對抗越來越多的核心的氦積聚，對抗重力的唯有電子簡并壓力。所以，當(dāng)溫度上升到～1億度的點燃溫度時，早已是類似“白矮星”一般的簡并態(tài)致密核。這樣的氦燃燒無法及時通過熱膨脹把能量傳輸出去，就會出現(xiàn)熱失控的氦閃，大約在1分鐘內(nèi)，氦核的大部分都聚變?yōu)樘己耍ㄒ约昂罄m(xù)的氧核），并向恒星外層傳輸出巨量的能量，導(dǎo)致恒星突然性變亮，并持續(xù)一個短周期。然后，核心又不再產(chǎn)生能量，外層的氫在較淺的位置上以較復(fù)雜的方式繼續(xù)聚變成氦。恒星核心再次緩慢積聚氦，較長的一段時間后，類似的氦閃又在富含碳-氧內(nèi)核外的氦包層中再次發(fā)生。這時的恒星就位于赫羅圖上的漸近巨星分支上，每次氦閃后，從一個紅巨星分支進入另一個分支。

大于太陽質(zhì)量2.57倍的恒星，由于氫核聚變速度更快、核心更熱，氦聚變可以在核心尚未收縮到白矮星密度的簡并態(tài)前就點燃，整個核反應(yīng)會比較平順與持續(xù)的進行。當(dāng)這類恒星初始的重元素含量較低（“貧金屬”星）時，它們將進入水平分支——這些恒星在赫羅圖上的位置是水平的分布。富含金屬的恒星在這個階段則群聚成赫羅圖上的紅群聚。1

如何定義紅巨星是一種演化晚期的恒星，廣義上包括氫燃燒以后離開主星序的所有的大光度的恒星。它們位于赫羅圖的右方或右上方，屬于巨星支或超巨星支，通常這些巨星支或超巨星支的恒星大部分是體積和光度均很大的K型星和M型星，因而是光色發(fā)紅的低溫恒星，故稱為紅巨星，一部分則為O型和B型的藍巨星或藍白巨星，還有一些為亞巨星支的G、F、A型黃巨星或黃白巨星、白巨星，這類天體的一部分靠近主序的是剛剛從主序移出不久的主序后恒星，另一些則是演化過程中的處于某一階段的形式，在這一星族中，存在很多型的變星，如造父變星、天琴座RR型變星等，除此之外，一些處于演化早期的恒星也出現(xiàn)在這一區(qū)域中，如金牛座的T型星等，但這一類的恒星周圍常有彌漫的氣體云，而一般的紅巨星則沒有，這是兩者現(xiàn)象的一個不同之處。各類質(zhì)量的恒星轉(zhuǎn)化為紅巨星的現(xiàn)象是不同的，對于質(zhì)量較小的恒星（小于太陽質(zhì)量的一半），氫耗盡后中心發(fā)生十分緩慢的收縮，最終在未引起氦燃燒以前就處于簡并態(tài)的電子氣的平衡態(tài)，因而收縮就會停止，而外殼則稍稍向外膨脹一下，即失去了可見光譜的輻射能力，轉(zhuǎn)化為核心物質(zhì)周圍的冷的星云，核心部分外層剩余的氫由于不足以支持星體的輻射而逐漸熄滅，逐漸向簡并態(tài)電子氣平衡的核心收縮。星體核心物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一顆白矮星而消亡，質(zhì)量更大一些的、在太陽質(zhì)量1.8—2.2倍以下的恒星，氫耗盡以后核心也收縮為電子氣的簡并態(tài)平衡狀態(tài)，由于外層的氫燃燒產(chǎn)生的氦不斷加入，氦核心質(zhì)量不斷增大，因而緩慢向內(nèi)收縮，當(dāng)中心的氦核心質(zhì)量增大到0.45個太陽質(zhì)量時，氦核心收縮的溫度使氦被點燃，核心物質(zhì)在簡并態(tài)電子氣平衡的條件下發(fā)生核燃燒，產(chǎn)生的熱量使氦核心發(fā)生膨脹，進而恢復(fù)為電子氣的非兼并態(tài)，然后形成穩(wěn)定的核燃燒，質(zhì)量更大的恒星，內(nèi)部會在非簡并態(tài)下直接發(fā)生核燃燒。

對于質(zhì)量在太陽1.5倍以下的恒星，它在赫羅圖上的移動軌跡是一條底部略有曲折的斜向上的曲線，當(dāng)恒星移動到這條曲線的頂端時，即發(fā)生氦燃燒，爾后，由于恒星物質(zhì)的熱逃逸，氦燃燒變得平穩(wěn)，光度下降，移至略向左傾斜一點的位置，處于長期的停留狀態(tài)，而質(zhì)量在太陽1.5倍以上的恒星，在赫羅圖上的移動曲線主要表現(xiàn)為一條水平的曲折的向上移動的軌跡，對于質(zhì)量在太陽10倍以下的恒星，在移向赫羅圖右端時發(fā)生氦燃燒，質(zhì)量大于太陽10倍的恒星，在離開主序后的左端部位即發(fā)生氦燃燒，氦燃燒的結(jié)果是生成碳。

這個反應(yīng)通常稱為反應(yīng)，實際上是按照上面兩步進行的，直接進行反應(yīng)的幾率很小，由于生成的鈹是具有放射性的，只要在非常短的時間內(nèi)就會重新分解為氦，所以第二步的反應(yīng)必須緊接著第一步的反應(yīng)很快地進行，反應(yīng)才能完整地發(fā)生，這就要求星體內(nèi)部具有較高的密度和溫度，這和氫的燃燒大不相同了。恒星內(nèi)部的氦燃燒的時間比氫燃燒短得多，像太陽這樣的恒星可持續(xù)10億年，而質(zhì)量在太陽幾倍到幾十倍的恒星，就只有幾十萬年到幾千年，比主序星的壽命短得多，這就是為什么恒星大多分布集中在主序上的原因。

形成原因恒星開始核反應(yīng)后在反抗引力的持久斗爭中，其主要武器就是核能。它的核心就是一顆大核彈，在那里不斷地爆炸。正是因為這種核動力能自我調(diào)節(jié)得幾乎精確地與引力平衡，恒星才能在長達數(shù)十億年的時間里保持穩(wěn)定。熱核反應(yīng)發(fā)生在極高溫度的原子核之間，因而涉及物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。在太陽這樣的恒星中心，溫度達到一千五百萬開氏度，壓強則為地球大氣壓的三千億倍。在這樣的條件下，不僅原子失去了所有電子而只剩下核，而且原子核的運動速度也是如此之高，以至于能夠克服電排斥力而結(jié)合起來，這就是核聚變。

恒星是在氫分子云的中心產(chǎn)生的，因而主要由氫組成。氫是最簡單的化學(xué)元素，它的原子核就是一個帶正電荷的質(zhì)子，還有一個帶負電荷的電子繞核旋轉(zhuǎn)。恒星內(nèi)部的溫度高到使所有電子都與質(zhì)子分離，而質(zhì)子就像氣體中的分子在所有方向上運動。由于同種電荷互相排斥，質(zhì)子就被一種電“盔甲”保護著，從而與其他質(zhì)子保持距離。但是，在年輕恒星核心的一千五百萬開氏度的高溫下，質(zhì)子運動得如此之快，以至于當(dāng)它們相互碰撞時就能夠沖破“盔甲”而粘合在一起，而不是像橡皮球那樣再彈開。四個質(zhì)子聚合，就成為一個氦核。氦是宇宙中第二位最豐富的元素。氦核的質(zhì)量小于它賴以形成的四個質(zhì)子質(zhì)量之和。這個質(zhì)量差只是總質(zhì)量的千分之七，但是這一點質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。像太陽那樣的恒星有一個巨大的核，在那里每秒鐘有六億噸氫變成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈沖擊就能阻止引力收縮。

然而，“恒定”的演化歷程終將結(jié)束，當(dāng)所有的氫都變成了氦時，核心的火就沒有足夠的燃料來維持，恒星在主序階段的平靜日子就到了盡頭，大動蕩的時期來到了。一旦燃料用光，熱核反應(yīng)的速率立即劇減，引力與輻射壓之間的平衡被打破了，引力占據(jù)了上風(fēng)。有著氦核和氫外殼的恒星，在自身的重力下開始收縮，壓強、密度和溫度都隨之升高，于是恒星外層尚未動用過的氫開始燃燒，產(chǎn)生的結(jié)果是外殼開始膨脹，而核心在收縮2。

在大約一億度的高溫下，恒星核心的氦原子核聚變成為碳原子核。每三個氦核聚變成一個碳核，碳核再捕獲另外的氦核而形成氧核。這些新反應(yīng)的速度與緩慢的氫聚變完全不同。它們像閃電一樣快地突然起爆（氦閃耀），而使恒星不得不盡可能地相應(yīng)調(diào)整自己的結(jié)構(gòu)。經(jīng)歷約一百萬年后，核能量的外流漸趨穩(wěn)定。此后的幾億年里，恒星處于暫時的平穩(wěn)，核區(qū)的氦在漸漸消耗，氫的燃燒越來越向更外層推進。但是，調(diào)整是要付出代價的，這時的恒星將膨脹得極大，以使自己的結(jié)構(gòu)適應(yīng)于光度的增大。它的體積將增大十億倍。這個過程中恒星的顏色會改變，因為其外層與高溫的核心區(qū)相距很遠，溫度就低了下來。這種狀態(tài)的恒星稱為紅巨星。

按一般理論，紅巨星應(yīng)有很厚的對流包層。一般認(rèn)為，不少恒星在紅巨星階段大概要失去外層物質(zhì)(這種物質(zhì)可能形成行星狀星云)，然后成為白矮星?？磥砑t巨星是大多數(shù)恒星要經(jīng)過的重要演化階段，但要搞清楚紅巨星前后的演化過程，還需要解決許多實測問題和理論問題。

巨星真相紅巨星衰亡時期外圍熾熱物質(zhì)膨脹范圍模型。以太陽系為參照， 三個行星軌道從內(nèi)向外依次是地球、火星和木星。 今天的全球變暖日益明顯，但是與天文學(xué)家從望遠鏡設(shè)備中觀測的宇宙中恒星的高溫膨脹過程相比，簡直就是小巫見大巫了。

通過國際天文學(xué)家合作研究發(fā)現(xiàn)，通過對宇宙深處數(shù)顆衰老膨脹的恒星及其周邊環(huán)境的仔細觀測，進一步揭開宇宙中衰亡恒星——紅巨星的真實面目；研究結(jié)果使我們可以清晰的預(yù)見數(shù)十億年后地球末日來臨時的情景：我們賴以生存的地球最終將面臨高溫?zé)霟岬臒o情吞噬。因為經(jīng)過天文學(xué)家測算，恒星在衰亡時將向外不斷膨脹，到那時候曾給予地球溫暖陽光的太陽最終也會把地球徹底烤干。

此次天文學(xué)家對所觀測的獵戶座一等星參宿四(Betelgeuse)和大火(Antares)均屬于米拉級恒星，是紅巨星中體積最大的一類衰亡恒星，由于其體積異常龐大有時也會被成為紅超巨星?？茖W(xué)解釋認(rèn)為在這類米拉級恒星星體中，供給其熱核反應(yīng)堆能量的氫元素已經(jīng)基本耗盡，此時這種衰亡恒星便會不斷向外圍膨脹，其擴張范圍的直徑將大大超出地球繞日軌道。而且中心的老恒星會象心臟一樣有規(guī)律地膨脹和收縮，這種規(guī)律性搏動周期大約僅需一年左右時間便可完成一次。

據(jù)法國巴黎天文臺的研究人員蓋伊－佩蘭介紹，當(dāng)?shù)奶栐跀?shù)十億年后也進入到這一階段，屆時其周邊溫度將急劇升高。預(yù)計隨著恒星的規(guī)律性搏動，地球表面溫度最高將可能達到3000攝氏度?！斑@一直接的后果就是，地球上的生命將消失殆盡。”佩蘭博士說：“只不過好在這是數(shù)十億年以后的事了?！?此次天文學(xué)家在研究工作中將數(shù)臺大型望遠鏡組合起來，形成了一個高效的超大型天文觀測體系，利用干涉測量技術(shù)，首次清晰地觀測到了恒星表面以外的光球?qū)訁^(qū)域。此次研究中的近紅外觀測數(shù)據(jù)均來自美國亞利桑那州史密森天體物理天文臺。天文學(xué)家介紹稱：“每經(jīng)歷一次規(guī)律性搏動過程，這些紅巨星便會失去部分質(zhì)量，形成大量的星級介質(zhì)?！备鶕?jù)佩蘭博士的解釋認(rèn)為，實際測算顯示出每當(dāng)這些衰老恒星膨脹收縮一次，就會有相當(dāng)于三分之一個地球那么多的物質(zhì)被拋射到宇宙星際空間中，屆時我們將看到異常美麗的星云擴散場面。不過到目前為止，科學(xué)家們還不清楚具體是什么原因產(chǎn)生這一奇異過程。佩蘭博士說：“現(xiàn)在的觀點認(rèn)為，這種擴張收縮過程使得恒星物質(zhì)漂浮出星體表面，并形成了宇宙塵埃，同時在恒星發(fā)出象風(fēng)一樣的光熱輻射作用下遠離星體，被吹向廣袤宇宙空間中?！?/p>

在此次最新研究中發(fā)現(xiàn)，就在這種恒星輻射風(fēng)的后面，還存在著一層由水汽和一氧化碳物質(zhì)層，這一氣體層遠離恒星表面并將星體團團圍住。這使得研究人員感到異常困惑，因為光靠大氣壓力的作用還不足以能支撐這一又高又厚的物質(zhì)層。佩蘭和他的研究小組認(rèn)為，很可能恒星離子在其中起到了一定作用。同時此次天文學(xué)家還通過研究進一步核實了米拉級恒星的直徑大小，他們認(rèn)為此類紅巨星其表層直徑比早先認(rèn)為的要小，大于只有原先預(yù)計的70%左右。以太陽系作為參照，其恒星表層直徑大約在火星繞日軌道(大于地球繞日軌道)范圍左右；而最新發(fā)現(xiàn)的水汽和一氧化碳混合層則遠離恒星表層，其與恒星中心點距離大約相當(dāng)于太陽系中火星木星之間的小行星帶軌道半徑距離。

此次研究小組美國成員，來自亞利桑那州圖桑市的美國國家光學(xué)天文臺的斯蒂芬－瑞基韋表示：“此次的發(fā)現(xiàn)解決了以往對米拉級恒星體積大小的爭論，同時也進一步描述出恒星衰老搏動的過程及其組成物質(zhì)，這些發(fā)現(xiàn)對于其它恒星也將非常適用。”

到此為止我們可以最終得出這樣的結(jié)論：當(dāng)我們的太陽衰老膨脹時，地球?qū)⒈粡氐淄淌刹⒆罱K蒸發(fā)干凈，同時緊挨地球的火星最終也將面臨被燒焦的厄運。如今所剩下的問題之一就是，象有些科學(xué)家推測的那樣，地球上的生命跡象到底是終結(jié)于極度干旱呢，還是被最終被熾熱的太陽膨脹物吞噬后來個徹底的“油炸”呢！

恒星質(zhì)量很低的紅矮星（