較精簡:
大約在五十億年前,星際塵雲,開始重力潰縮.體積越縮越小,核心的溫度也越來越高,密度也越來越大.
當體積縮小百萬倍後,成為一顆原始恆星,核心區域溫度也升高而趨近於攝氏一千萬度左右.
當這個原始恆星或胎星的核心區域溫度高逹一千萬度時,觸發了氫融合反應時,也就是氫彈爆炸的反應.
此時,恆星便誕生了.
詳細:
在群星之間,並不是空無一物,而是佈滿了物質,是氣體,塵埃或兩者的混合物.其中一種低溫,不發光的星際塵雲,相信是形成恆星的基本材料.
這些黑暗的星際塵雲溫度很低,約為攝氏-260至-160之間.天文學家發現這類物質如果沒有什麼外力的話,這些星際塵雲就如天上的雲朵,在太空中天長地久的飄著.但是如果有些事情發生,例如鄰近有顆超新星爆炸,產生的震波通過星際塵雲時,會把它壓縮,而使星際塵雲的密度增加到可以靠本身的重力持續收縮.這種靠本身重力使體積越縮越小的過程,稱為”重力潰縮”.也有一些其他的外力,如銀河間的磁力或塵雲間的碰撞,也可能使星際雲產生重力潰縮.
大約在五十億年前,一個稱為”原始太陽星雲”的星際塵雲,開始重力潰縮.體積越縮越小,核心的溫度也越來越高,密度也越來越大.當體積縮小百萬倍後,成為一顆原始恆星,核心區域溫度也升高而趨近於攝氏一千萬度左右.當這個原始恆星或胎星的核心區域溫度高逹一千萬度時,觸發了氫融合反應時,也就是氫彈爆炸的反應.此時,一顆叫太陽的恆星便誕生了.
經過一連串的核反應,會消耗掉四個氫核,形成一個氦核,而損失了一點點的質量.依據愛因斯坦質量和能量互換的方程式E=MC^2,損失的質量轉化為光和熱輻射出去,經過一路的碰撞,吸收再發射的過程,最後光和熱傳到太陽表面,再輻射到太空中一去不返,這也就是我們所看到的太陽輻射.當太陽中心區域氫融合反應產生的能量傳到表面時,大部份以可見光的形式輻射到太空.
在五十憶年前剛形成的太陽並不穩定,體積縮脹不定.收縮的重力遭到熱膨脹壓力的阻擋,有時熱膨脹力揚頭,超過了重力,恆星大氣因此膨脹.但是一膨脹,溫度就跟著下降.膨脹過頭,導致溫度過低,使熱膨脹壓力擋不住重力,則恆星大氣開始收縮.同樣的,一收縮,溫度就跟著上升,收縮過頭,導致溫度過高,又使熱膨脹壓力超過重力, 恆星大氣又開始膨脹.
這種膨脹,收縮的過程反覆發生,加上周圍還籠罩在雲氣中,因此亮度變化很不規則.但是脹縮的程度慢慢縮小,最後熱膨脹力和收縮力達到平衡,進入穩定期.此時,太陽是一顆黃色的恆星,差不多就像我們現在看到的一樣.
太陽進入穩定期後,相當穩定的發出光和熱,可以持續一百億年之久.這期間占太陽一生中的90%,天文學家特稱為”主序星”時期.太陽成為一顆黃色主序星,至今己有五十億年,再過五十億年,太陽度過一生的黃金歲月後,將進入晚年.
有足夠長的穩定期,對行星上的生命發生非常重要.以地球的經驗來說,地球太約和太陽同時形成,將近十億年後才出現生命,經過四十多億年後,才發展出高等智慧的生物.因此,天文學家要找外星生命,只對生存期超過四十億的恆星有興趣.
太陽在晚年將成為紅巨星
太陽在晚年時,將己經耗盡核心區域的氫,這時太陽的核心區域都是溫度較低的氦,周圍包著的一層正在進行氫融合反應,再外圍便是太陽的一般物質.氫融合反應產生的光和熱,正好和收縮的重力相同.核心區域的氦由於溫度較低,而氦的密度又比氫大,所以重力大於熱膨脹力而開始收縮,核心區域收縮產生的熱散佈到外層,加上外層氫融合反應產生的熱,使得太陽外部慢慢膨脹,半徑增大到吞沒水星的範圍.
隨著太陽的膨脹,其發光散熱的表面積也隨之增加,表面積擴大後,單位面積所散發的熱相對減少,所以太陽一邊膨脹,表面溫度也隨之降到攝氏三千度,在發生的電磁輻射中,以紅光最強,所以將呈現一個火紅的大太陽,稱為”紅巨星”.
在紅巨星時期的太陽不穩定,外層大氣受到擾動會造成膨脹,收縮的脈動效應,而且脈動的周期和體積大小關.想想果凍的情形,輕拍一下果凍,它便會晃動,而且果凍越大,晃動的程度越小.同樣的道理,紅巨星的體積越大,膨脹,收縮的周期也越長.
簡單來說,五十億年後,太陽核心區域收縮的熱將導致外部膨脹,變成一顆紅巨星.充滿氦的核心區域則持續收縮,溫度也隨之增加.當核心區域的溫度升至一億度時,開始發生氦融合反應,三個氦經過一連串的核反應後融合成為一個碳,放出比氫融合反應更巨量的光和熱,使太陽外層急速膨脹,連地球也吞沒了,成為一個體積超大的紅色超巨星.
太陽的末路:白矮星
相似的過程是在紅色超巨星的核心區域再次發生,碳累積越來越多,碳的密度比氦大,相對的收縮的重力也更大,史的碳構成的核心區域收縮下去.但是當此區域收縮到非常緊密結實的程度,也就是碳原子核周圍所有的電子都擠在一起,擠到不能再擠時,這種緊密的壓力擋住了重力收縮.雖然此時的溫度比攝氏一億度高很多,但是還沒有高到可以產生碳融合反應的地步.因此,太陽核心區域不再收縮,但也沒有多餘的熱使外層膨脹,就如此僵持著,形成了白矮星.由於白矮星的核心沒有核融合反應來供給光與熱,整個星球越來越暗,逐漸黯淡下去,最後變成一顆不發光的死寂星球----黑矮星.經過理論上的計算,白矮星慢慢冷卻變成黑矮星的過程非常漫長,超過一百多億年,而銀河系的形成至今不過一百多億年,因此天文學家認為銀河系還沒有老到可以形成黑矮星.
經過計算,太陽體積縮小一百萬倍,約像地球一樣大時,物質間擁擠的的程度才足以抗拒重力收縮.想想,質量與太陽相當,體積卻只有地球大小,很容易算出白矮星的密度比水重一百萬倍,也就是說一一方公分的物質約有一公噸重,是非常特別的物質狀態,物理學家稱為簡併狀態.原子是由原子核和電子構成.一般人都看過電子圍繞原子核的圖畫或動畫,雖然是簡化的示意圖,卻也反#了微小的物質狀態.通常電子都在距離原子核很遠的地方繞轉著,如果溫度逐漸降低,或是外力逐漸增加,則電子的活動範圍便被押擠而越來越小,逐漸靠近原子核.但是電子與原子核之間的距離有其最小範圍,電子不能越過這道界線.就像圍繞在玻璃珠周圍的沙粒一樣,沙粒最多依附在玻璃珠表面,而無法壓入玻璃珠中.
同樣的,當所有的電子都被迫壓擠再原子的表層時,物質狀態達到了一個臨界,即使在增加壓力,也無法將電子往內壓擠.這種由電子處於最內層而產生的抗壓力稱為電子簡併壓力.依據理論推算,質量小於一點四個太陽質量的星球重力,不足以壓垮電子簡併壓力,因此白矮星的質量不能比一點四個太陽質量更大.到目前為止,所發現的白矮星數量超過數百個,也都符合這個理論.這個上限首先是由一個印度天文學家錢德拉沙哈(Subrahmanyan Chandrasekhar 1910-1995)在1931年利用量子力學所求出來的,因此稱為錢式極限(Chandrasekhar’s limit).
當錢德沙哈拉當年提出的這種由電子簡併壓力擋住重力收縮的星球時,並沒有得到讚揚,再英國皇家天文學會在一九三五年所舉辦的研討會中,更受到當代大師愛丁頓(Authur Eddington)爵士打壓,認為宇宙中並沒有這種天體.德拉沙哈受到這個打擊後,沒有辦法在即刊上發表論文,因此他寫了一本書<<恆星的結構與演化>>,後來成為這個領域中的經典之作.為什麼要稱之為白矮星呢?這是因為第一哥確定的白矮星是天狼星的伴星,顏色屬高溫的青白色,但是體積如此小,因此稱之為白矮星,但是後來陸續發現許多同類的恆星,星光顏色屬於溫度較低的黃色橙色,但是仍然稱它們為白矮星.白矮星因此成為一個專有名詞,專指這類由電子簡併壓力擋住重力收縮的星球.
