恒星的一生演化过程，形成黑洞需要多久？

伤我心太深

　　恒星的一生

　　当我们观看天穹上的恒星时，我们会得到恒星很少变化的印象。确实，我们今天所看到的星空与我们的古人在5000年前所看到的并无明显区别。但是，恒星在变化。它们就像人类那样，有它们的诞生、成长和死亡。与我们人类的几百万年历史相比，恒星的寿命太漫长了，所以我们只是偶尔看到恒星在我们眼前变化。然而，天文学家却能通过辨认处于不同时期的恒星推断恒星一生的经历。

　　设想有一个火星人来到地球上，只在一群买东西的人中间停留片刻，所以看不出有什么人在他面前变老，但他看到了许多处于不同时期的人：婴儿、老人、中年人、妇女。根据这些情况，火星人可以推断出人们是如何诞生、成长和最终进入他们生命的终点的。

　　类似地，天文学家能够辨认出正在诞生的恒星、处于中年的恒星和垂死的恒星。那么，天文学家是如何知道一颗恒星正处于它一生的哪个时期的呢?这个问题的答案来自用物理定律详述恒星一生的理论。这个“恒星演化”理论是20世纪自然科学的伟大成就之一。





　　一、恒星的诞生


　　恒星是从弥漫在整个宇宙中的稀薄气体中诞生的。这种气体主要是由氢原子所组成，此外还含有少量的氦。在有些地方，这种气体一块儿聚集在十分浓厚的星际气体云之中。根据引力理论，这种气体云自身的引力会把气体云往自身内部拉，把它压缩得具有更高的密度。气体云的中心应是最浓密的区域。天文学家料想到，在那里有些气体凝缩为单独的一个个“气团”。每个气团都依靠它的引力保持在一起。当气体被压缩时，它就变得更热，以致在每个气团的中心处温度上升到1000万K，热得足以进行恒星的热核反应。这种核反应把氢聚变为氦并产生出巨大的能量。其结果使气团开始发光：一颗恒星就诞生了。

　　遗憾的是普通望远镜不能真切地向我们展示恒星在星际气体中的诞生。原因在于那些与气体一起分布在宇宙空间中像烟灰微粒大小的尘埃微粒。在尘埃比较集中的浓厚的气体云中，尘埃微粒吸收通过气体云的光。其结果是，我们能在遥远的恒星背景上看到如一个暗斑似的星云。最著名的暗星云就是烟袋星云，它在南半球用肉眼就看得见。尘埃也妨碍我们看出在诞生恒星的暗星云中正在发生什么事情。

　　而今天文学家已经解决了这个问题。他们制成了能辨认红外辐射的望远镜，用以代替光学望远镜。在宇宙空间中，尘埃微粒并不吸收红外辐射，所以红外望远镜能辨认出来自浓厚气体云中的红外辐射，可以“看到”恒星在那里诞生。在红外望远镜中，最有成效的是安装在1983年射入轨道的一颗人造卫星上的那架红外天文望远镜，发现数以千计的年轻的恒星隐藏在星云深处。

　　天文学家发现，气团以其独特的方式瓦解。气团的中心部分很快地往里收缩，而其外部则以较慢的速度随之收缩。气团也在缓慢地自转，但随着气团外部往里收缩，它如同慢速旋转的滑冰者将手臂收拢时开始加快旋转。其结果是，这个内部迅速旋转的气团形成一个圆盘，在其中心处气体被压缩得足以通过核反应而形成恒星。分布在这个圆盘中心之外的气体和尘埃最终形成一系列环绕新生恒星的行星。






　　一旦恒星发光，它就会产生一股强烈的热气体“风”，沿着不同的方向从圆盘的上下左右向外涌流，远离那些从观察者看来是隐藏着恒星的大部分原始气体云。于是，我们就能用一架普通望远镜看到这些年轻的恒星。它们照亮了来自原始星云的各块气体，使它们像一个亮星云那样发光。每个围绕着年轻恒星的星云在天穹上都形成美妙的图形。最著名的是猎户座星云，冬季时在欧洲可以用肉眼看到它，就像一个模糊的斑痕处于巨大的猎户星座的星带之下。当一颗恒星诞生时，它成为一个主要由氢组成的炽热的气体球。它之所以发光是因为在其中心处进行着把氢聚变为氦的核反应。从这个意义上说，所有的新生恒星是相同的。


　　恒星的一生演化主要分为 诞生 成年期 中年期 衰退期


　　诞生
　　恒星演化开始于巨分子云的重力塌陷
　　成年期
　　成年期时形成主序星
　　恒星有不同的颜色和大小 从高热的蓝色到冷却的红色 从0.5到20个太阳质量不等
　　中年期
　　演化成红巨星 超巨星等
　　低质量恒星:
　　至今尚未直接观察到低质量恒星在核融合停止后发生的情况 因为宇宙被认定的年龄(138亿年)低于低质量恒星停止核融合的时间
　　中等质量恒星:
　　演化成红巨星(0.5-10个太阳质量) 是非主序带恒星 在恒星光谱上通常为K或者M类 (eg. 大角星)
　　其中红巨星分支阶段会演变成不稳定脉动变星 (eg. 天琴座RR变星)
　　能量滋生更快则向渐近巨星分支阶段演化 形成碳星 米拉变星
　　若热脉动与渐近巨星分支阶段同时开始 称为再生渐近巨星分支 会形成极端的水平分支星(次矮B星) 行星状星云的中心恒星 欠缺氢的后渐近巨星分支星 爆发型变星(eg. 北冕座R型变星)


　　大质量恒星:

　　演化成超新星

　　衰退期
　　晚年到死亡以三种可能的冷态之一为终结 白矮星 中子星(亦被称为脉冲星)和黑洞
　　美国天文学家钱德拉塞卡预言: 恒星核心质量小于太阳1.44倍的恒星将会演化为白矮星
　　核心质量大于1.44倍太阳质量而小于3.2倍太阳质量 整体为太阳8-15倍质量将演化为中子星
　　核心超过3.2倍太阳质量 演化为黑洞


　　以太阳为例:

　　原恒星 → 主序星 → 红巨星 → 白矮星 → 黑矮星
　　艺术家笔下的太阳演化
　　质量小于0.08倍太阳质量:
　　原恒星 → 褐矮星
　　大于1.44倍太阳质量:
　　原恒星 → 主序星 → 红巨星 → (超)新星 → 中子星(行星状星云)→ 黑矮星
　　大于8倍太阳质量:
　　原恒星 → 主序星 → 红巨星 → 红超巨星 → 脉动变星 → 超新星 → 黑洞/中子星 → 黑洞蒸发/黑矮星
　　大于120倍太阳质量:
　　核聚变过于剧烈 极不稳定 易解体
　　恒星演化十分复杂 具体请参考百度百科以下条目: 恒星 恒星演化 赫罗图






　　二、恒星一生的主要时期：主序星阶段


　　从恒星内核中的氢点火燃烧到全部变成氦的整个过程，恒星都处在赫罗图的主星序上。主序星的能源主要来自恒星核中的氢聚变。由于恒星中氢的含量很大，并且氢聚变为氦的反应比较平缓，所以恒星在主星序上可以停留很长时间。事实上，主序星阶段正是恒星一生中最长的一个阶段。这就是为什么在各类恒星中主序星占了大多数的原因。标志一颗恒星的最重要的东西是它的质量，即它所包含的物质数量。一颗恒星的质量在它诞生时就被确定，它决定着恒星的寿命和最终结局。

　　我们的太阳是一颗十分典型的恒星，现在正处于中年，所以它成为测量别的恒星的一把方便的尺子。例如，一颗恒星重20000亿亿亿吨，我们也可以把它说成有10个太阳那样重。按照这个标准，新生的恒星包括一个很宽的范围：从0.07个太阳重量到100个太阳重量。

　　在最重的恒星中，核反应进行得最快，因为它的核心最重、压缩得最紧密。较重的恒星就是较亮的恒星，具有较热的表面。我们可以把这些恒星依照一个明确的次序进行排列。大多数恒星属于主序星这种类型。其末端是比太阳轻的恒星，表面温度只有3000K。处于主星序顶端的是重恒星，发光有10个太阳那样亮，表面温度为30000K或30000K以上。一颗恒星在把氢聚变为氦的过程中度过它一生的绝大部分时间。因此，主序星阶段确实是恒星的主要时期。恒星的一生在很大的程度上取决于它有多重。重的恒星消耗核材料快，不多久就耗尽它的氢燃料。轻的恒星尽管它提供的核材料较少，但它消耗得很缓慢，反而能生存更长时间。

　　恒星的寿命对我们来说是太长了，所以为了便于比较，我们可以再次把太阳作为参照物。根据理论推测，太阳作为一颗主序星总共要经历100亿年时间。最重的恒星的寿命为这个时间的千分之一。那些很轻的恒星的寿命大概至少要比太阳长100倍。





　　三、恒星的晚年和结局


　　一旦恒星内核中的氢全部聚变成氦，这个内核就成为一个氦球。在氦球的温度还没有达到能使氦成为新的核燃料之前，它就无力产生强大的辐射压力。于是在引力的作用下，氦球收缩增温，导致周围壳层的温度上升，引燃壳层的氢燃烧。在恒星内部，氦球因收缩增温，导致氦燃料点火燃烧。此时的恒星，核心燃烧着氦，其外围壳层燃烧着氢，所产生的能量把恒星外层物质往外推。于是恒星的体积膨胀，表面温度下降。当表面温度降至4000K以下时，发出的主要是带红色的光，整个恒星表面又大又红，成为一颗不断膨胀的红巨星。如果我们可以把整个红巨星切开，那么我们就会发现，它有一个很小很密的核和一个很大的稀薄气体外壳。

　　与主序星相比，红巨星是不寻常的，因为它们非常巨大，所以它们看起来很明亮，并在我们的视野里显得很引人注目。最著名的是猎户座中的参宿四;另一个是天蝎座中的大火，其希腊名称的意思是“火星的竞争者”，因为它具有灿烂的红色。所有恒星都会变成红巨星，但不同质量的恒星在红巨星阶段的演化过程与最终结局却有所不同。

　　质量较小的恒星变成红巨星后，不久便难以维持它的巨大的外壳，会变得不稳定起来。氦燃料全部烧完之后，剩下的由碳和氧组成的核心又会产生收缩，但因其总质量不够，温度达不到产生碳氧核反应的程度，只能停留在围绕碳、氧核心，维持双壳层氢、氦燃烧的阶段。最后结局是，其外壳离开恒星中心部分，而中心部分则形成一颗白矮星，凄凉地被残存的、烧焦的行星所环绕。再经过若干亿年的冷却，这颗白矮星变为暗淡无光的黑矮星，便默默游荡在茫茫的宇宙中。外壳的气体最终进入宇宙空间。这些气体在完全消失之前形成一个环绕垂死恒星的气泡，其情景犹如一个在宇宙中发光的烟环。天文学家把这种气泡叫做“行星状星云”，因为当你用一架小望远镜观察时，它们看起来很像一颗行星。

　　在这种恒星的外壳消失之后，我们能看到一个很小很热的核。其直径只有太阳的百分之一，与地球差不多大，它热得发白光。天文学家把它叫做“白矮星”。因为白矮星非常小，呈现为天穹上一种相当暗淡的天体，因而很难发现。虽然白矮星的体积与地球差不多大，只有太阳体积的百万分之一，但是它们的质量却与太阳差不多，因此其密度为太阳的100万倍。

　　当白矮星成为另一颗恒星的伴星时，天文学家在追踪白矮星方面是相当成功的。首先发现的是大犬座α的伴星，大犬座α是全天最亮的星，因为它就是众所周知的“天狼星”，所以它的小伴星通常被称为“酒店”。一颗白矮星产生任何一种能量的时间都比较短。它发光仅仅是因为它开始形成时是如此之热。随着时间的推移，它逐渐冷下来，褪为黄色、橘黄色和红色，直至像一团火苗将要熄灭的烟灰那样，从视野中逐渐全部消失。

　　正如1987年天文学家在南半球所看到的那样，大质量恒星具有一种非常戏剧性的结局。一颗以前只有用强威力望远镜才看得见的恒星突然爆发，所发出的光亮得用肉眼就很容易看到。这颗恒星变为一颗超新星而死亡。

　　一颗大质量恒星在度过了它的主序星阶段之后，会变成一颗红巨星并开始往一颗超新星发展。一颗大质量恒星用完它核心中的氢之后，先是膨胀成为核心完全是氦的红巨星。但这并非是这个故事的结局。在这样一颗重恒星里面，温度和压力持续上升，直至氦元素聚变为碳元素。这种核反应产生格外多的能量以维持恒星发光。随着温度和压力的增加，致使碳变为更重的元素，如氖、硅，直到聚变成最稳定的铁为止。在这一点上，恒星的核好像一个洋葱头，从里到外具有铁、硅、氖、氦和氢的同心圈层。铁是非常稳定的元素。如果你企图继续溶化铁核，那么这个反应并不产生能量，实际是带走能量。所以，恒星的中心这时是不稳定的。在不过几秒钟内，它完全坍塌。由核坍塌产生的巨大能量在超新星爆发时摧毁了这颗恒星。

　　那么，一颗超新星的核坍塌将会发生怎样的情况呢?在本世纪30年代，两位在美国工作的天文学家佛里茨·兹维基和沃尔特·贝特猜想到，它会收缩成一个比白矮星还小的球体，完全由比原子还小的、叫做中子的粒子所组成。数十年来，这一直是一种理论上的设想。直到1967年秋季的一天，坎布里奇的两位天文学家托尼·休伊特和乔斯林·贝尔获得了来自天空的有规律的信号。他们打消了可能是“小绿人”企图与地球取得联系的想法，转而现实地认为，他们发现了宇宙中某种天然的光时灯。这种光时灯射出来的光束如同一只旋转灯所发出的闪光。坎布里奇的天文学家认出来的这种信号来自一个每秒自转一圈、发射着一束束射电波的宇宙光时灯。根据我们现有知识，只有一种恒星能小得足以如此迅速地旋转，这就是中子星。

　　现在，天文学家已找到几千颗旋转着的中子星(也就是所谓的脉冲星，因为它们有规律地发射射电波“脉冲”)，前面提到过位于蟹状星云的中子星就是其中之一。一颗中子星的直径只有25千米，其中的物质紧紧地挤压在一起，以至于从中子星里取一块针头那么大的物质就会有100万吨质量。它的引力是如此之强，足以使企图在中子星上着陆的宇航员被压扁，摊开成只有一个原子那么薄的一层。





　　白矮星和中子星可能看起来已极其异乎寻常，但理论却预言会有一种更奇异的“恒星死尸”：即黑洞。如果一颗超新星坍塌而成的核太重(比三个太阳还重)，那么它就不能以中子星作为结局。它自身的引力是如此之强，以致它的核继续坍塌，直至成为一个没有大小却密度极大的、数学上的点。围绕这个点有一个直径只有几千米的区域，这里引力强得使任何东西、甚至于连光都不能逃逸出去，这就是黑洞。它之所以“黑”，是因为这里连光也不能逃逸出去，即使你企图照亮它，这个黑洞也会吞咽来自你的火炬的光束。它之所以是一个“洞”，是因为你投入任何东西都再也出不来了，即使你将它紧紧捆在一个强大的正在发动的火箭上也是如此。

　　天文学家在20世纪30年代同时预言了中子星和黑洞，但只是在前些年天文学家才发现黑洞的某些证据。在天鹅座有一个强大的X射线射电源，叫做天鹅X-1。天文学家在天穹的这一点上发现有一颗恒星。这颗恒星本身很平常，并不能产生X射线。但问题并不在于这颗恒星本身。它在围绕一颗用普通望远镜看不见的伴星摆动。通过仔细观察这颗可见的恒星，天文学家发现，它那颗看不见的伴星正起着一颗有10个太阳重量的天体的吸引作用。对中子星来说，这个天体是太重了，所以唯一的可能是，它就是一个黑洞。

　　超新星的爆发并不象征着死亡和毁灭。由于超新星的爆发，把气体驱散到宇宙空间中去，再凝聚成星云。引力可以在这里起作用，使气体星云收缩并凝聚成为一颗恒星。所以一颗恒星就像一只长生鸟，一颗成为超新星的恒星的死亡，可以促使新一代恒星的诞生。

　　中小质量的恒星死亡时成为一个行星状星云。而超新星的爆发则把新元素播撒到宇宙中去。诸如碳、铁、金以及铀和别的放射性元素之类的新元素是在恒星生存时期或是垂死挣扎时增添的。所以，这些新生恒星将包含较少的氢和较多的新增元素。

　　现在天文学家确信，当宇宙在大爆炸中开始时，这些气体几乎全是氢和氦。垂死的恒星形成所有别的元素，包括形成地球的硅、氧、铁和构成我们身体的碳及其他元素。所以，我们应把我们不寻常的存在归功于过去若干代恒星的产生与死亡。