黑洞的一生

天狼星YAN

目前大多数天文学家都相信恒星都是由稀薄气体云和尘埃因引力坍缩而产生的。这些气体云和尘埃的引力的强弱同恒星一生的归属密切相关，换句话说，恒星初始质量的大小影响着它的演化方向、年龄以及最终死亡的结局。大质量恒星相对于小质量恒星来说，演化速度要快的多。对于质量于8个太阳质量的恒星来说，通常都是以超新星爆发的形式终其一生。
　　恒星的诞生地通常认为是在那些星际气体中。当这些星际气体的密度超过某个临界值的时候，气体之间的相互引力会逐渐超过气体的压力，这样，星际气体就会开始收缩，密度便会不断的加大。由于星际气体的质量实在是太大，所以在密度增大的同时，星际气体内部同时会变得越来越不稳定。这就导致形成一些较为微小的气体团。随着时间的推移，这些小的气体团便会慢慢的演变成为一颗颗的恒星。所以，在我们看来恒星都是成团成团的诞生。
　　这些由气体和尘埃形成的缓慢自转的球体所产生的恒星，天文界已提出一个公认的诞生图像。但是具体到细节还尚不很明了，特别是坍缩的稍后阶段也就是关于行星形成的清晰理论还没有一个明确的答案。但是巨型红外望远镜的出现使得天文学家的研究变得相对来说比较容易了。因为电磁波在红外线波段的波长较光学波段的波长要长出许多，所以通过红外望远镜，我们能够清楚地看到遍布气体和尘埃的恒星诞生地的内部。
　　下面来看看恒星诞生的具体过程。当星际气体的内部分解成一块块的较小的气体团之后，这些气体团会继续收缩下去。这时，气体团的密度已经达到60,000个氢原子/立方厘米，远大于正常星际气体的密度1个氢原子/立方厘米。最初气体团密度较低的时候，其中心物质发出来的光辐射还是能够突破重重阻碍达到气体团的外部，但是随着气体团的收缩，由中心到外层逐渐形成了密度梯度，气体团中央的密度大到以至于光也穿透不出来。这样气体团中心的温度就会不断的升高，压力也开始升高，收缩慢慢停止。直至温度达到二千度左右，氢分子开始分解成为原子。于是核心再度收缩，到收缩时释放出的能量把全部的氢都重新变为原子。这个新生的核心比今天的太阳稍大一些，不断向中心跌下的全部外围物质最终都要落到这个核心上，一颗质量和太阳一样的恒星就要形成了。这样恒星内部便开始发生核聚变反应，恒星进入到主序阶段。
　　太阳是我们见到的最普通的一颗处在主序的中等质量的恒星。
　　45亿年前我们的太阳就是在经历过这个阶段以后从原恒星过渡到恒星。在恒星内部的这个核反应熔炉中，物质从氢开始，不断的“演化”下去，这种创造过程目前被认为是我们现在多元素世界唯一的“造物主”。大爆炸理论认为，宇宙诞生初期，宇宙中只充满着最轻的元素--氢与氦。那些参与形成地球、大气和我们身体的较重元素，是后来称作超新星的激变恒星爆发期间在星体内部形成的。这类爆发在星系周围贡献出新形成的物质，不断地以重元素丰富着星系介质。
　　恒星在主序阶段所经历的时间长短跟他的质量有密切的关系。大质量的恒星燃烧的的快，演化的也快。小质量恒星，由于其内部引力较小，核反应没有大质量恒星来的剧烈，所以演化的也较慢，其主序阶段也相对来说长一些。太阳的整个热核反应阶段约是一百二十亿年，而质量大于太阳十倍的恒星，核阶段就要短一千倍。
　　我们的太阳就是一颗典型的处在主序的小质量恒星。她已经在主序阶段“生活”了45亿年。天文学家的计算结果显示太阳还可以象现在这样再“生活”50亿年，也就是说，太阳的主序阶段长达100亿年。
　　任何恒星在其主序阶段的末尾，核心的氢都会逐渐消耗怠尽，随后它们便会脱离主序进入到红巨星阶段。在这个新的阶段，恒星的核心由氢聚变的产物--氦组成 。氦又是另一不同聚变反应的燃料，反应后形成碳和氧，并继续释放出大量的能量。然而， 这 种反应需具备更高的核心温度，这个条件直到氢聚变的末尾才会出现。恒星由氢供给燃料过 渡到由氦供给燃料的转变时间极短，氢一经耗尽氦核反应立即开始。随之，这颗恒星的外貌显著改变。氦聚变比以往的氢核反应产生的能量更多，重力与新热能输出之间的平衡使恒星达到一个新的稳定体积。这时恒星变成 了庞大的巨星。虽然它产生的能量比主序阶段要多的多，但这时有了庞大的恒星表面会把热量辐射出去。 这就出现了令人惊奇的事，尽管恒星核反应更加剧烈，但恒星的表面温度却凉下来。尽管表面温度相对很低，但红巨星却极为明亮，因为它们的体积巨大。肉眼能看到的最亮的星有许多是红巨星，如参宿四、毕宿五、大角、心宿二等。
　　50亿年后的太阳也会变成为一颗红巨星。
　　红巨星氦核聚变的原子产物包括碳、氮和氧。这些元素在氦燃料贮藏耗尽后将会变成新的恒星燃料。实际上这种由轻核聚变为重核的反应在恒星一生的演化过程中相互衔接，相继出现。先由氢聚变为氦，然后再由氦聚变为碳、氮和氧，以此类推产生越来越重的元素。为了克服更重元素对聚合的顽抗，每个后继阶段都需要比前一阶段甚至更高的恒星核心温度。这依次更高的温度使核燃烧过程逐级加速，所以每个后继阶段所存在的时间就越来越短。
　　当恒星成长为红巨星，热核反应的速率也不可逆转的衰退。对于离开主序的时候质量在1~8个太阳质量之间的恒星，由于外壳的重量不足以使它的核受到充分的压缩、提高温度，所以巨星的碳－氧核不再发生热核反应。但是核的周围却仍然活跃。核外的氢层和氦层会先后燃烧，这样将热核反应一步一步地延伸到外壳。这种不连续反应所产生的能量仅能断断续续地支撑外层的重量。这使得恒星开始脉动。这种状态会持续数千年。在恒星脉动的过程中，它会不断的向其周围喷射物质，直至最后外层物质全部脱落，只剩下一个裸露的碳－氧核。那些被抛出的物质——灰烬，会形成一个行星状星云，而萎缩的残骸则会变成白矮星。白矮星是中等质量恒星演化的终点。其半径跟质量成反比，质量越大，半径就越小。由于没有热核反应来提供能量，白矮星在发出辐射的同时，必然也在迅速的冷却。但是要等他完全的冷却下来成为一颗黑矮星却要经历数十亿年的时间。
　　这里聚集了很多的白矮星。
　　对于那些离开主序的时候大于8个太阳质量的恒星来说，它们的热核反应可以一路顺畅的进行下去。其核心最后形成一个铁核。在耗尽能源的最后时刻，引力坍缩便会立即开始。然而此时已不可能出现新的聚变反应来抗拒坍缩以恢复恒星内外压力的平衡。在巨大的压力下，质子和电子被挤压到一起形成中子，同时释放出数以万亿的中微子。坍缩的结果就是恒星的所有质量都集中在一个30千米直径的球体之中!其密度可想而知。恒星的外层物质随着坍缩同样以很高的速度朝向核心运动，它们同固态的中子核发生猛烈的碰撞，这种碰撞使物质达到极高的温度。高温高雅的环境使得恒星外层大气中的氢和较轻的气体产生聚合反应。这样便发生了猛烈的聚合爆发，爆发所持续的时间只有短短的1秒钟，这颗超新星在转瞬间其亮度剧变到1000亿颗恒星那样明亮！