紅巨星

紅巨星

紅巨星是“中老年”的恆星,它體積膨脹,外層氣體密度變低,而且星球的引力也變弱,造成了星球表層脫落,從而導致恆星風暴的形成。在赫羅圖上,紅巨星是巨大的非主序星,光譜屬於K或M型。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。金牛座的畢宿五和牧夫座的大角星都是紅巨星。

基本信息

簡介

紅巨星紅巨星

一顆恆星度過漫長的青壯年期——主序星階段,步入老年期時,將首先變為一顆紅巨星。稱為“巨星”,是突出體積巨大。在巨星階段,恆星的體積將膨脹到十億倍之多。

稱為“紅”巨星,是因為在該恆星迅速膨脹的同時,外表面離中心越來越遠,所以溫度將隨之降低,發出的光也就越來越偏紅。不過,雖然溫度降低了一些,可體積如此之大,光度也變得很大,極為明亮。肉眼看到的最亮的星中,許多都是紅巨星。

赫羅圖中,紅巨星分布在主星序區的右上方的一個相當密集的區域內,差不多呈水平走向。

分類

在赫羅圖上,紅巨星是巨大的非主序星,光譜屬於K或M型。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;而天蠍座的心宿二、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,能量由氦核外的氫燃燒包層提供,它們在圖上構成了紅巨星分支(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,它們構成了圖上水平的漸近巨星分支(AGB星)。在恆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於C-N到C-R型。

演化

紅巨星紅巨星體積膨脹

恆星依靠其內部的熱核聚變而熊熊燃燒著。核聚變的結果,是把每四個氫原子核結合成一個氦原子核,並釋放出大量的原子能,形成輻射壓。處於主星序階段的恆星,核聚變主要在它的中心(核心)部分發生。輻射壓與它自身收縮的引力相平衡。氫的燃燒消耗極快,中心形成氦核並且不斷增大。隨著時間的延長,氦核周圍的氫越來越少,中心核產生的能量已經不足以維持其輻射,於是平衡被打破,引力占了上風。有著氦核和氫外殼的恆星在引力作用下收縮,使其密度、壓強和溫度都升高。的燃燒向氦核周圍的一個殼層里推進。這以後恆星演化的過程是:核心收縮、外殼膨脹——燃燒殼層內部的氦核向內收縮並變熱,而其恆星外殼則向外膨脹並不斷變冷,表面溫度大大降低。這個過程僅僅持續了數十萬年,這顆恆星在迅速膨脹中變為紅巨星。

紅巨星一旦形成,就朝恆星的下一階段——白矮星進發。當外部區域迅速膨脹時,氦核受反作用力卻強烈向內收縮,被壓縮的物質不斷變熱,最終核心溫度將超過一億度,點燃氦聚變。最後的結局將在中心形成一顆白矮星。

白矮星-內部結構模型圖白矮星-內部結構模型圖

如何定義

紅巨星是一種演化晚期的恆星,廣義上包括氫燃燒以後離開主星序的所有的大光度的恆星,它們位於赫羅圖的右方或右上方,屬於巨星支或超巨星支,通常這些巨星支或超巨星支的恆星大部分是體積和光度均很大的K型星和M型星,因而是光色發紅的低溫恆星,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後恆星,另一些則是演化過程中的處於某一階段的形式,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,一些處於演化早期的恆星也出現在這一區域中,如金牛座的T型星等,但這一類的恆星周圍常有瀰漫的氣體雲,而一般的紅巨星則沒有,這是兩者現象的一個不同之處。各類質量的恆星轉化為紅巨星的現象是不同的,對於質量較小的恆星(小於太陽質量的一半),氫耗盡後中心發生十分緩慢的收縮,最終在未引起氦燃燒以前就處於簡併態的電子氣的平衡態,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,轉化為核心物質周圍的冷的星雲,核心部分外層剩餘的氫由於不足以支持星體的輻射而逐漸熄滅,逐漸向簡併態電子氣平衡的核心收縮。星體核心物質轉化為一顆白矮星而消亡,質量更大一些的、在太陽質量1.8—2.2倍以下的恆星,氫耗盡以後核心也收縮為電子氣的簡併態平衡狀態,由於外層的氫燃燒產生的氦不斷加入,氦核心質量不斷增大,因而緩慢向內收縮,當中心的氦核心質量增大到0.45個太陽質量時,氦核心收縮的溫度使氦被點燃,核心物質在簡併態電子氣平衡的條件下發生核燃燒,產生的熱量使氦核心發生膨脹,進而恢復為電子氣的非兼併態,然後形成穩定的核燃燒,質量更大的恆星,內部會在非簡併態下直接發生核燃燒。
對於質量在太陽1.5倍以下的恆星,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,當恆星移
動到這條曲線的頂端時,即發生氦燃燒,爾後,由於恆星物質的熱逃逸,氦燃燒變得平穩,光度下降,移至略向左傾斜一點的位置,處於長期的停留狀態,而質量在太陽1.5倍以上的恆星,在赫羅圖上的移動曲線主要表現為一條水平的曲折的向上移動的軌跡,對於質量在太陽10倍以下的恆星,在移向赫羅圖右端時發生氦燃燒,質量大於太陽10倍的恆星,在離開主序後的左端部位即發生氦燃燒,氦燃燒的結果是生成碳。
這個反應通常稱為反應,實際上是按照上面兩步進行的,直接進行反應的幾率很小,由於生成的鈹是具有放射性的,只要在非常短的時間內就會重新分解為氦,所以第二步的反應必須緊接著第一步的反應很快地進行,反應才能完整地發生,這就要求星體內部具有較高的密度和溫度,這和氫的燃燒大不相同了。恆星內部的氦燃燒的時間比氫燃燒短得多,像太陽這樣的恆星可持續10億年,而質量在太陽幾倍到幾十倍的恆星,就只有幾十萬年到幾千年,比主序星的壽命短得多,這就是為什麼恆星大多分布集中在主序上的原因。

形成原因

恆星開始核反應後在反抗引力的持久鬥爭中,其主要武器就是核能。它的核心就是一
顆大核彈,在那裡不斷地爆炸。正是因為這種核動力能自我調節得幾乎精確地與引力平衡,恆星才能在長達數十億年的時間裡保持穩定。熱核反應發生在極高溫度的原子核之間,因而涉及物質的基本結構。在太陽這樣的恆星中心,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,以至於能夠克服電排斥力而結合起來,這就是核聚變。
恆星是在氫分子雲的中心產生的,因而主要由氫組成。氫是最簡單的化學元素,它的原子核就是一個帶正電荷的質子,還有一個帶負電荷的電子繞核鏇轉。恆星內部的溫度高到使所有電子都與質子分離,而質子就像氣體中的分子在所有方向上運動。由於同種電荷互相排斥,質子就被一種電“盔甲”保護著,從而與其他質子保持距離。但是,在年輕恆星核心的一千五百萬開氏度的高溫下,質子運動得如此之快,以至於當它們相互碰撞時就能夠衝破“盔甲”而粘合在一起,而不是像橡皮球那樣再彈開。四個質子聚合,就成為一個氦核。氦是宇宙中第二位最豐富的元素。氦核的質量小於它賴以形成的四個質子質量之和。這個質量差只是總質量的千分之七,但是這一點質量損失轉化成了巨大的能量。像太陽那樣的恆星有一個巨大的核,在那裡每秒鐘有六億噸氫變成氦。巨大的核能量朝向恆星外部猛烈衝擊就能阻止引力收縮。
然而,“恆定”的演化歷程終將結束,當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,恆星在主序階段的平靜日子就到了盡頭,大動盪的時期來到了。一旦燃料用光,熱核反應的速率立即劇減,引力與輻射壓之間的平衡被打破了,引力占據了上風。有著氦核和氫外殼的恆星,在自身的重力下開始收縮,壓強、密度和溫度都隨之升高,於是恆星外層尚未動用過的氫開始燃燒,產生的結果是外殼開始膨脹,而核心在收縮[3]。
在大約一億度的高溫下,恆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),而使恆星不得不儘可能地相應調整自己的結構。經歷約一百萬年後,核能量的外流漸趨穩定。此後的幾億年里,恆星處於暫時的平穩,核區的氦在漸漸消耗,氫的燃燒越來越向更外層推進。但是,調整是要付出代價的,這時的恆星將膨脹得極大,以使自己的結構適應於光度的增大。它的體積將增大十億倍。這個過程中恆星的顏色會改變,因為其外層與高溫的核心區相距很遠,溫度就低了下來。這種狀態的恆星稱為紅巨星。
按一般理論,紅巨星應有很厚的對流包層。一般認為,不少恆星在紅巨星階段大概要失去外層物質(這種物質可能形成行星狀星雲),然後成為白矮星。看來紅巨星是大多數恆星要經過的重要演化階段,但要搞清楚紅巨星前後的演化過程,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膨脹範圍模型。以太陽係為參照,三個行星軌道從內向外依次是地球、火星和木星。今天的全球變暖日益明顯,但是與天文學家從望遠鏡設備中觀測的宇宙中恆星的高溫膨脹過程相比,簡直就是小巫見大巫了。
通過國際天文學家合作研究發現,通過對宇宙深處數顆衰老膨脹的恆星及其周邊環境的仔細觀測,進一步揭開宇宙中衰亡恆星——紅巨星的真實面目;研究結果使我們可以清晰的預見數十億年後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熾熱的無情吞噬。因為經過天文學家測算,恆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乾。
此次天文學家對所觀測的獵戶座一等星參宿四(Betelgeuse)和大火(Antares)均屬於米拉級恆星,是紅巨星中體積最大的一類衰亡恆星,由於其體積異常龐大有時也會被成為紅超巨星。科學解釋認為在這類米拉級恆星星體中,供給其熱核反應堆能量的氫元素已經基本耗盡,此時這種衰亡恆星便會不斷向外圍膨脹,其擴張範圍的直徑將大大超出地球繞日軌道。而且中心的老恆星會象心臟一樣有規律地膨脹和收縮,這種規律性搏動周期大約僅需一年左右時間便可完成一次。
據法國巴黎天文台的研究人員蓋伊-佩蘭介紹,當的太陽在數十億年後也進入到這一階段,屆時其周邊溫度將急劇升高。預計隨著恆星的規律性搏動,地球表面溫度最高將可能達到3000攝氏度。“這一直接的後果就是,地球上的生命將消失殆盡。”佩蘭博士說:“只不過好在這是數十億年以後的事了。”此次天文學家在研究工作中將數台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,首次清晰地觀測到了恆星表面以外的光球層區域。此次研究中的近紅外觀測數據均來自美國亞利桑那州史密森天體物理天文台。天文學家介紹稱:“每經歷一次規律性搏動過程,這些紅巨星便會失去部分質量,形成大量的星級介質。”根據佩蘭博士的解釋認為,實際測算顯示出每當這些衰老恆星膨脹收縮一次,就會有相當於三分之一個地球那么多的物質被拋射到宇宙星際空間中,屆時我們將看到異常美麗的星雲擴散場面。不過到目前為止,科學家們還不清楚具體是什麼原因產生這一奇異過程。佩蘭博士說:“現在的觀點認為,這種擴張收縮過程使得恆星物質漂浮出星體表面,並形成了宇宙塵埃,同時在恆星發出象風一樣的光熱輻射作用下遠離星體,被吹向廣袤宇宙空間中。”
在此次最新研究中發現,就在這種恆星輻射風的後面,還存在著一層由水汽和一氧化碳物質層,這一氣體層遠離恆星表面並將星體團團圍住。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層。佩蘭和他的研究小組認為,很可能恆星離子在其中起到了一定作用。同時此次天文學家還通過研究進一步核實了米拉級恆星的直徑大小,他們認為此類紅巨星其表層直徑比早先認為的要小,大於只有原先預計的70%左右。以太陽系作為參照,其恆星表層直徑大約在火星繞日軌道(大於地球繞日軌道)範圍左右;而最新發現的水汽和一氧化碳混合層則遠離恆星表層,其與恆星中心點距離大約相當於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天文台的史蒂芬-瑞基韋表示:“此次的發現解決了以往對米拉級恆星體積大小的爭論,同時也進一步描述出恆星衰老搏動的過程及其組成物質,這些發現對於其它恆星也將非常適用。”
到此為止我們可以最終得出這樣的結論:當我們的太陽衰老膨脹時,地球將被徹底吞噬並最終蒸發乾淨,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,象有些科學家推測的那樣,地球上的生命跡象到底是終結於極度乾旱呢,還是被最終被熾熱的太陽膨脹物吞噬後來個徹底的“油炸”呢!

恆星

質量很低的紅矮星(<0.5個太陽質量)只有對流層,恆星處於完全對流狀態,恆星的元素豐度基本各處相同。由於核心的溫度本來就不是很高,而且質量太小,整個恆星無需過於收縮以頂住引力。所以這些恆星即使到了晚期氫豐度不是很高的情況下,也不能通過收縮讓累積在核心的氦達到核聚變的溫度,既使用盡了氫也不能成為紅巨星。由於它們的主序星階段生命遠遠長於我們宇宙的年齡,這類恆星的演化僅是理論上的,並無觀測實例。
質量極高的O、B型星(25個太陽質量以上),其主序星階段就位於赫羅圖的左上角頂端,屬於藍巨星甚至藍超巨星。它們將一直在赫羅圖的最上方水平移動,氦融合開始後可能成為高光度藍變星,也可能成為沃爾夫-拉葉星。接著它們就以Ⅱ型或Ⅰb、Ⅰc型超新星爆發結束其短暫的生命。

太陽

大約在50億年後,太陽將成為紅巨星,經過科學家們的計算,屆時太陽將變得異常巨大,內側行星。然而,太陽的引力也會因為質量的減少而減弱,因此火星和所有的外行星,都會往外移。在這時候水星,甚至連金星都會被太陽吞噬掉。地球的命運不是很清楚。要是沒有潮汐力的話,那地球的軌道就會往外逃到差不多1.3到1.7天文單位。但研究發現因為地球和太陽有潮汐力,地球還是會被太陽的外氣層吞噬掉。可是在此之前,當太陽的氫耗盡時,地球的生物圈將會被破壞,額外增加的太陽能也將造成地球海洋的蒸發。過30億年以後,地球的表面將變得如同金星一般高熱。再40億年以後,地球的空氣已經往外太空逸散掉了,最後地球變成焦黑的行星。

天文發現

體積縮小

有研究發現,位於獵戶星座的紅巨星參宿四15年間體積竟縮小了15%,但天文學家無法解釋縮小之謎。參宿四是迄今(2012年)天文學家在宇宙中觀測到的十顆最明亮的恆星之一,它是天文學家熟悉的天文觀測目標,也是天文學家首次觀測到的超大質量恆星,這顆紅巨星是哈勃望遠鏡可以觀測到的清晰圓盤狀恆星,這是哈勃望遠鏡能夠拍攝到表面狀態的第一顆恆星。

發現碳元素

太陽向紅巨星演化太陽向紅巨星演化

2012年8月22日,奧地利維也納大學發表公報說,該大學天文研究所的研究人員發現,一顆紅巨星被類似煤煙物質構成的雲層所包裹。研究人員藉助歐洲南方天文台的甚大天文望遠鏡觀測這顆名為“RFornacis”的紅巨星時發現,它被類似煤菸灰塵構成的雲層所包裹。由於紅巨星表面溫度低,碳元素豐富,因此可能出現複雜的碳氫化合物和固體物質塵埃。這些物質有可能形成適合生命的行星。

太陽演化

2012年8月,國際天文學家小組發現紅巨星將內側軌道天體吞沒的證據,暗示50億年後的太陽也會將地球摧毀。大約在50到75億年後,太陽將成為紅巨星,經過科學家們的計算,屆時太陽將變得異常巨大,足以吞噬掉目前(2012年)太陽系裡,包括地球、火星以內的內側行星,太陽的引力也會因為質量的減少而減弱,因此火星和所有的外行星,都會往外移。最終水星,甚至連金星都會被太陽吞噬掉。

星空知識

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天文學基本術語

恆星

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