恆星的誕生
第 七 章 恆星的誕生
所 以 恆 星 並 不 是 永 恆 的 ， 他 們 與 我 們 凡 人 相 似 ， 也 有 生 老 病 死 。 本 章 的 內 容 是 有 關 恆 星 如 何 誕 生 、 如 何 演 化 進 入 青 年 期 (主 序 帶)。 另 一 個 重 要 的 課 題 是 ， 天 文 學 家 如 何 用 上 一 章 (星 光 的 祕 密) 所 敘 述 的 方 法 ， 來 證 驗 恆 星 演 化 理 論 。
恆星的誕生
簡 單 圖 像 ：
恆 星 的 質 量 ， 大 多 在 太 陽 質 的 十 分 之 一 到 數 十 倍 之 間 。 以 太 陽 而 言 ， 其 質 量 約 是 地 球 的 三 十 三 萬 倍 ， 可 見 恆 星 有 相 當 巨 大 的 質 量 。 能 誕 生 恆 星 的 巨 大 分 子 雲 ， 又 是 由 幾 近 真 空 的 星 際 物 質 ， 歷 經 亙 古 的 時 間 緩 慢 聚 集 而 成 。 星 際 物 質 主 要 是 由 氫 、 氦 、 塵 埃 所 組 成 。
星 光 的 消 光 與 紅 化 ， 發 射 星 雲 (emission nebula) –Trifid 星 雲 、 或 H II 區 域 ， 反 射 星 雲 (reflection nebula)– Trifid 星 雲、 昂 宿 星 團 (the Pleiades)， 暗 星 雲 – 馬 頭 星 雲 、 本 雲 河 盤 面 、 包 克 雲 球(Bok globules)， 氫 21公 分 線 (無 線 電 波 段)， 0.26 公 分 CO 譜 線 – 巨 大 分 子 雲 (數 十 萬 太 陽 質 量)。
但 恆 星 誕 生 的 故 事 並 不 是 如 此 簡 單 ， 星 際 物 質 受 重 力 的 吸 引 ， 慢 慢 的 聚 集 在 一 起 ， 同 時 溫 度 也 漸 漸 昇 高 。 溫 度 愈 高 ， 原 子 與 分 子 運 動 的 速 率 也 愈 快 ， 這 種 傾 向 抗 衡 了 重 力 塌 縮 的 繼 續 進 行 ， 有 時 甚 至 可 能 把 星 雲 打 散 。
由 觀 測 的 證 據 顯 示 ， 星 雲 不 可 能 經 由 自 發 性 的 重 力 塌 縮 ， 而 變 成 恆 星 。 天 文 學 家 認 為 有 四 種 不 同 的 過 程 ， 具 有 發 揮 臨 門 一 腳 效 用 ， 能 觸 發 恆 星 的 形 成。
巨 大 分 子 雲 的 塌 縮
-> 塌 縮 分 子 雲 的 分 裂 (理 論)
-> 分 子 雲 的 分 裂 終 止 (理 論)
-> 原 恆 星 (胎 星) 階 段
-> 原 恆 星 (胎 星) 階 段 的 演 化
-> 觸 發 氫 融 合 – 新 恆 星 誕 生
原 恆 星 的 質 量 ， 因 周 圍 的 物 質 持 續 地 加 入 而 增 加 ， 核 心 的 溫 度 也 隨 之 昇 高 。 當 中 心 的 溫 度 超 過 4 * 106 度 時 ， 氫 開 始 發 生 核 融 合 ， 一 顆 新 的 恆 星 也 就 誕 生 了 。 此 時 恆 星 的 四 周 雲 氣 仍 然 很 稠 密 ， 可 能 還 無 法 直 接 看 見 這 顆 新 生 的 恆 星 。 但 可 觀 測 周 圍 雲 氣 受 中 心 恆 星 激 發 的 倩 形 ， 可 以 推 知 雲 氣 深 處 新 恆 星 的 誕 生。
-> 進 入 主 序 帶
恆星誕生的觀測證據
恆星誕生的觀測證據：
例 如 NGC 2264 中 有 許 多 低 質 量 的 T 型 星 ， 實 測 的 數 據 顯 示 星 團 中 ， 大 質 量 的 恆 星 己 在 主 序 星 階 段 ， 而 低 質 量 恆 星 仍 在 T 型 星 階 段 。 這 個 星 團 的 年 齡 約 僅 有 數 百 萬 年 ， 因 為 同 星 團 內 的 恆 星 是 由 同 團 雲 氣 中 產 生 ， 所 以 它 們 起 步 的 時 間 相 同 ， 但 恆 星 進 人 主 序 帶 所 需 要 的 時 間 與 其 質 量 有 關 ， 一 般 質 量 愈 大 的 星 ， 愈 快 進 入 主 序 帶 ，實 測 的 結 果 與 理 論 相 合 。
當氣體掉入恆星的吸積盤面時，會拉曳著磁場，進而在旋轉軸的兩端產生噴流， 而 噴 流 與 周 圍 雲 氣 相 撞 ， 產 生 光 度 閃 爍 不 定 的 Herbig-Haro 星 體。
由 哈 伯 太 空 望 遠 鏡 的 觀 測 發 現 ， 在 獵 戶 座 大 星 雲 中 的 七 百 多 顆 新 恆 星 ， 近 半 數 有 吸 積 盤 的 存 在 。 現 在 的 一 般 的 臆 測 是 ， 這 些 吸 積 盤 假 以 時 日 ， 有 可 能 會 形 成 行 星 。 如 果 這 種 說 法 是 正 確 的 ， 行 星 在 宇 宙 中 ， 可 能 到 處 皆 是 。 由 最 近 一 系 列 的 觀 測 發 現 ， 如 吸 積 盤 、 外 太 陽 系 行 星 與 火 星 微 生 物 等 ， 使 我 們 對 外 太 陽 系 智 慧 生 物 ， 存 在 與 否 的 問 題 有 了 無 窮 的 想 像 空 間。
原 恆 星 演 化 過 程 所 產 生 的 雙 極 流 ， 高 速 衝 入 周 圍 的 雲 氣 ， 並 激 發 雲 氣 中 的 物 質 放 出 電 磁 輻 射 ， 成 為 為 亮 度 不 規 則 變 化 的 小 星 雲。 這 類 光 度 閃 爍 不 定 的 小 星 雲 ， 常 稱 為 Herbig-Haro 星 體 (H-H objects)， 所 發 出 的 輻 射 大 都 在 可 見 光 、 紅 外 線 與 無 線 電 波 段 。
氫核融合過程有二種：
兩 種 核 融 合 過 程 都 是 將 四 個 氫 核 融 合 成 一 個 氦 ， 並 釋 放 出 能 量 。 主 序 星 用 那 一 種 氫 融 合 過 程 產 生 能 量 ， 和 它 的 核 心 的 溫 度 有 密 切 的 關 聯 。 據 太 陽 標 準 模 型 ， 太 陽 核 心 的 溫 度 約 為 一 千 五 百 萬 度 ， 理 論 計 算 顯 示 ， 太 陽 高 於 百 分 之 九 十 的 能 量 可 能 是 經 由 質 子－質 子 鏈 產 生 ， 而 少 於 百 分 之 十 是 來 自 碳 氮 氧 循 環 (參 見 質 子－質 子 鏈 與 碳 氮 氧 循 環 與 溫 度 的 關 係 圖)。 但 大 質 量 恆 星 ， 能 量 產 生 的 途 徑 是 以 碳 氮 氧 循 環 為 主 。
不 管 恆 星 循 何 種 路 徑 來 產 生 能 量 ， 四 個 氫 的 質 量 總 和 大 於 一 個 氦 ， 也 就 是 說 ， 四 個 氫 核 融 合 成 一 個 氦， 會 損 失 了 部 份 的 質 量 。 如 果 我 們 用 Δm 來 代 表 所 損 失 的 能 量 ， 由 愛 因 斯 坦 的 質 能 公 式 (mass-energy relation)告 訴 我 們
也 就 是〝損 失 的 質 量 轉 變 成 能 量 的 釋 出〞。ΔE = Δm C2
例 ： 一 公 克 的 氫 經 由 核 融 合 大 約 可 產 生 多 大 的 能 量 ?
我 們 知 道 在 一 次 的 氫 融 合 中 會 消 耗
4個氫核(m4H ＝6.693*10-27 kg)
產 生
1個氦 核(mHe＝6.645*10-27 kg)
也 就 是 在氫融合的過程中質量減少Δm = 0.048*10-27 kg，所 以 一 次 的 氫 融 合 所 釋 出 的 能 量
ΔE ＝ Δm C2
= (0.048*10-27 kg)*(3*108 m/sec)2 ＝ 0.43*10-11 J ＝1*10-12 cal一 公克的氫約有6*1023個氫核， 每一次氫核融合用 掉4個氫核產生1*10-12 cal的能量， 所以1公克的氫在核融合過程中可產生
(6.02*1023/4)(1*10-12 = 1.5 * 1011 cal
每一公克的水從0℃增高到100℃的沸水需要100 cal， 所以1公克的氫在核融合的過程中所產生的能量可將1500公噸的水煮沸！
恆 星 內 部 所 產 生 的 能 量 如 何 傳 到 表 面 ？
以 我 們 的 太 陽 為 例 ， 百 分 之 九 十 九 的 能 量 在 核 心 產 生 ， 而 且 所 產 生 的 能 量 ， 大 部 份 以 高 能 珈 瑪 射 線 (註 ： 電 磁 輻 射 常 又 稱 為 光 子) 與 微 中 子 釋 出 。 微 中 子 極 少 與 物 質 發 生 作 用 ， 立 即 飛 離 太 陽 。 太 陽 內 部 的 物 質 密 度 很 高，光 子 平 均 每 走 1 公 分 就 與 物 質 粒 子 碰 撞 一 次 。 由 核 心 以 "光" 的 形 式 向 外 傳 遞 的 能 量，大 約 需 經 過 一 百 萬 年 的 掙 扎 與 反 覆 的 改 頭 換 面， 才 能 扺 達 太 陽 表 面 。
恆 星 的 穩 定 是 依 賴 流 體 靜 態 平 衡(Hydrostatic Equilibrium) — 重力壓與輻射壓在星球的內部是保持平衡的， 來 維 持 穩 定。 從 流體靜態平衡， 我 們 可 暸 解 星 球 的 內 部 ， 因 不 同 的 深 度 有 不 同 的 重 力 ， 所 以 在 星 球 的 內 部不 同 的 深 度 必 需 有 不 同 的 溫 度 ， 才 能 產 生 相 對 應 的 輻 射 壓 與 重 力 相 抗 衡 。
利 用 電 腦 對 恆 星 作 模 擬 ， 來 計 算 與 推 測 恆 星 的 內 部 物 質 分 佈 、 溫 度 分 佈 、光 度 分 佈、 能 量 向 外 傳 輸 方 式 … ， 所 得 到 的 恆 星 理 論 模 型 。 恆 星 理 論 計 算 把 恆 星 分 成 許 多 具 有 相 同 厚 度 的 同 心 球 穀 ， 並 以 四 個 基 本 假 設 為 計 算 的 基 礎 ：
恆 星 模 型 的 預 測 ， 須 與 實 際 的 觀 測 相 吻 合 ， 否 則 必 須 調 整 恆 星 模 型 的 參 數 ， 再 進 行 計 算 與 預 測 並 與 實 驗 數 據 比 較 。
恆 星 的 理 論 模 型 告 訴 我 們 主 序 星 的 質 量 不 能 小 於 0.08 太 陽 質 量 ， 也 不 能 大 於 100 太 陽 質 量 。 因 為 小 於 0.08 太 陽 質 量 的 星 體 ， 無 法 產 生 氫 核 融 合 ， 也 就 是 無 法 形 成 主 序 星 ， 這 類 "死 胎 的 恆 星" 稱 為 棕 矮 星 (brown dwarf) ；大 於 100 太 陽 質 量 的 星 體， 核 融 合 反 應 非 常 激 烈 ， 會 造 成 星 體 不 穩 定 ， 而 分 裂 成 數 個 質 量 較 小 的 恆 星 。 現 在 的 天 文 觀 測 的 證 據 顯 示 ， 恆 星 的 質 量 大 致 在 十 分 之 一 至 數 十 個 太 陽 質 量 之 間 。
我 們 利 用 可 觀 測 量 ， 如 光 度 、 大 小 、 表 面 溫 度 … ， 來 對 描 述 恆 星 。 但 恆 星 的 內 部 結 構 ， 則 須 靠 理 論 模 型 來 推 測 。 一 般 而 言 ， 恆 星 的 內 部 可 分 成 核 心 、 對 流 層 與 輻 射 層 等 三 部 份 。 據 理 論 模 型， 恆 星 的 內 部 結 構 與 其 內 部 的 溫 度 有 關 。 而 恆 星 的 溫 度 又 取 決 於 其 質 量 ， 所 以 恆 星 的 內 部 結 構 與 其 質 量 有 關 。
最近更新日期：一九九六年十二月二十日
蘇漢宗(htsu@mail.ncku.edu.tw)
許瑞榮(rrhsu@mail.ncku.edu.tw)
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