高中地球科學/恆星
當你在一個晴朗的夜晚仰望星空時，你可以看到數十甚至數百個微小的光點。幾乎每一個光點都是一顆恆星，一個非常非常高溫的發光氣體球。有些恆星比我們的太陽小，有些則比它大。除了我們自己的太陽，所有恆星都離我們太遠了，即使透過望遠鏡，它們也看起來像單一的點。
- 定義星座。
- 描述恆星中能量的流動。
- 根據恆星的屬性對其進行分類。
- 概述恆星的生命週期。
- 使用光年作為距離單位。
幾個世紀以來，人們一直看到你可以在夜空中看到的相同的恆星。許多不同文化的人們已經識別出星座，它們是天空中恆星的明顯模式。圖 26.1 顯示了最容易識別的星座之一。古希臘人認為這群恆星看起來像他們神話中的一位獵人，所以他們以他的名字命名它為獵戶座。圖中中心的三個恆星是“獵戶座腰帶”。
星座以及星團或星群中的圖案被稱為星群，它們每晚都保持不變。然而，在一個晚上，恆星在夜空中移動，保持著相同的圖案。恆星的這種明顯的夜間運動實際上是由於地球繞其軸自轉造成的。不是恆星在移動；實際上是地球自轉使得恆星看起來在移動。隨著季節的變化，圖案也略有變化，因為地球繞太陽公轉。因此，你在冬天看到的星座與你在夏天看到的不同。例如，獵戶座是冬季天空中一個突出的星座，但不是夏季天空中。
雖然星座中的恆星在我們眼中看起來很靠近，但它們通常離我們有很大的距離，因此它們在太空中並不靠近。例如，在獵戶座中，肉眼可見的恆星距離我們從只有 26 光年（相對接近地球）到數千光年不等。光年是光在一年的時間內傳播的距離；它是一個用來測量太空物體之間距離的大單位。
只有一小部分太陽光到達地球；然而，這些光足以使整個星球保持溫暖，併為地球上的所有生物提供能量。太陽是一顆相當普通的恆星。太陽看起來比其他任何恆星都大得多、亮得多，是因為它離我們很近。其他一些恆星產生的能量比太陽多得多。恆星是如何產生如此多的能量的呢？
恆星主要由氫和氦組成。這兩種都是非常輕的氣體。然而，一顆恆星中存在如此多的氫和氦，這些氣體的重量是巨大的。在恆星的中心，壓力足夠大，足以加熱氣體並引起核聚變反應。在核聚變反應中，兩個原子的原子核或中心結合在一起，並從兩個原始原子建立一個新原子。在恆星的核心，最常見的反應是將兩個氫原子變成一個氦原子。核聚變反應需要大量的能量才能啟動，但一旦啟動，它們就會產生更多的能量。
來自恆星核心核反應的能量向外推動，平衡了恆星中所有氣體向內的引力。這種能量緩慢地向外穿過恆星的各層，直到最終到達恆星的外表面。恆星的外層會發出耀眼的光芒，將能量以電磁輻射的形式釋放到太空中，包括可見光、熱量、紫外線和無線電波。
科學家已經建造了名為加速器的機器，可以推動亞原子粒子，直到它們達到與恆星核心相同的能量。當這些粒子正面碰撞時，就會產生新的粒子。這個過程模擬了恆星核心發生的核聚變。它還模擬了當宇宙只有幾分鐘大時，兩個氫原子碰撞產生第一個氦原子的條件。兩個著名的加速器是美國的 SLAC 和瑞士的 CERN。
恆星有許多不同的顏色。如果你觀察獵戶座中的恆星（如圖 26.1 所示），你會注意到左上角有一顆明亮的紅星，右下角有一顆明亮的藍星。這顆紅星名為參宿四（發音為 BET-ul-juice），這顆藍星名為參宿七。
如果你觀察一塊金屬，比如電爐的線圈，當它被加熱時，你可以看到顏色與溫度的關係。當你第一次開啟加熱開關時，線圈看起來是黑色的，但你可以感覺到離線圈幾英寸的手感受到的熱量。隨著線圈變得越來越熱，它開始發出暗紅色。隨著它變得越來越熱，它會變成更亮的紅色，然後是橙色。如果它變得非常熱，它可能會看起來是黃白色，甚至藍白色。就像爐子上的線圈一樣，恆星的顏色由恆星表面的溫度決定。相對較冷的恆星是紅色的，較熱的恆星是橙色的或黃色的，極熱的恆星是藍色的或藍白色的。
對恆星進行分類最常用的方法是按顏色分類。表 26.1 顯示了這種分類系統的運作方式。恆星的類別用字母表示。每個字母對應於一種顏色，以及一個溫度範圍。請注意，這些字母與顏色名稱不匹配；它們來自一個不再使用的舊系統。
| 類別 | 顏色 | 溫度範圍 | 示例恆星 |
|---|---|---|---|
| O | 藍色 | 30,000 K 或更高 | 蛇夫座 ζ 星 |
| B | 藍白色 | 10,000-30,000 K | 參宿七 |
| A | 白色 | 7,500-10,000 K | 牛郎星 |
| F | 淡黃色 | 6,000-7,500 K | 南河三 A 星 |
| G | 黃色 | 5,500-6,000 K | 太陽 |
| K | 橙色 | 3,500-5,000 K | 印第安座ε |
| M | 紅色 | 2,000-3,500 K | 參宿四，比鄰星 |
對於大多數恆星來說，表面溫度也與其大小有關。較大的恆星會產生更多的能量，因此它們的表面溫度更高。圖 26.2 展示了每類恆星的典型代表，顏色與您在夜空中看到的顏色大致相同。
為了描述恆星發展過程中的各個階段，我們可以說恆星會誕生、成長、隨著時間的推移發生變化，最終走向死亡。大多數恆星在其生命歷程中至少會經歷一次大小、顏色和類別的變化。
恆星誕生於被稱為星雲的氣體和塵埃雲中，如圖 26.3 所示。在圖 26.1 中，穿過獵戶座的中央三顆恆星下方模糊區域，通常被稱為獵戶座的劍，包含另一個星雲，被稱為獵戶座星雲。
在恆星生命的大部分時間裡，核心中的核聚變將氫原子結合在一起形成氦原子。處於這一階段的恆星被稱為主序星，或位於主序星上。這個術語來自赫茨普龍-羅素圖，該圖將恆星的表面溫度與其真實亮度或星等繪製在一起。對於主序星來說，溫度越高，亮度也越高。恆星在主序星上停留的時間長短取決於恆星能夠平衡向內的重力以及核心發生的核聚變所提供的向外力的時間長短。質量更大的恆星核心壓力更高，因此它們需要燃燒更多的氫“燃料”來防止引力坍縮。因此，質量更大的恆星溫度更高，並且比質量更小的恆星更早地耗盡氫氣。
我們的太陽是一顆中等大小的恆星，已經是一顆主序星大約 50 億年了。它將繼續發光大約 50 億年，而不會發生任何變化。非常大的恆星可能只在主序星上停留大約 1000 萬年。非常小的恆星可能在主序星上停留數十億甚至數百億年。
當恆星開始耗盡氫氣時，它就開始將氦原子融合在一起形成更重的原子，如碳。最終，恆星中可供融合的輕元素會越來越少。恆星再也無法抵禦引力，開始向內坍縮。與此同時，外層會向外擴散並冷卻。恆星變得更大，但表面更冷，呈紅色。處於這一階段的恆星被稱為紅巨星。
最終，紅巨星會燃燒掉核心中的所有氦。接下來會發生什麼取決於恆星的質量。像太陽這樣的典型恆星，此時會完全停止核聚變。引力坍縮將恆星的核心壓縮成一個大小與地球相當的白熱物體。處於這一階段的恆星被稱為白矮星。最終，白矮星會冷卻下來，它的光線會逐漸消失。
質量遠大於太陽的恆星將以更戲劇性的方式結束其生命。當質量非常大的恆星離開主序星時，它們會變成紅超巨星。獵戶座中的紅星參宿四是一顆紅超巨星。
與紅巨星不同，當紅超巨星中所有的氦都耗盡時，核聚變不會停止。恆星會繼續將原子融合成更重的原子，直到最終其核聚變反應產生鐵原子。透過核聚變產生比鐵更重的元素需要比它產生的能量更多。因此，恆星通常不會形成任何比鐵更重的元素。當恆星耗盡了正在融合的元素時，核心屈服於引力並猛烈坍縮，產生猛烈的爆炸，被稱為超新星。超新星爆炸包含如此巨大的能量，以至於其中一些能量實際上可以將重原子融合在一起，產生更重的元素，如金、銀和鈾。超新星在短時間內可以像整個星系一樣明亮，如圖 26.4 所示。
一顆大恆星在超新星中爆炸後，核心剩餘的物質密度極高。如果核心小於太陽質量的四倍，恆星將成為中子星，如圖 26.5 所示。中子星幾乎完全由中子構成。儘管它比太陽質量更大，但直徑只有幾公里。
如果超新星爆炸後剩下的核心大於太陽質量的五倍，核心將坍縮得如此之遠，以至於它會變成一個黑洞。黑洞的密度如此之大，以至於連光也無法逃脫其引力。因此，黑洞無法直接觀測到。但我們可以透過黑洞對周圍物體的影響以及從其邊緣洩漏的輻射來識別黑洞。
太陽比其他任何恆星都離地球更近。來自太陽的光需要大約 8 分鐘才能到達地球。來自第二近的恆星比鄰星的光需要超過 4 年才能到達地球。如果乘坐我們今天擁有的類似宇宙飛船前往比鄰星，需要數萬年才能到達那裡。
因為天文距離非常大，所以使用同樣大的距離單位會很有幫助。光年定義為光在一年的時間裡傳播的距離。一光年約為 9,500,000,000,000（9.5 萬億）公里，或 5,900,000,000,000（5.9 萬億）英里。比鄰星距離我們 4.22 光年，這意味著它的光需要 4.22 年才能到達我們這裡。
一光年大約等於 60,000 個天文單位，4.22 光年大約等於 267,000 個天文單位。回想一下，海王星是距離太陽最遠的行星，它距離太陽約 30 個天文單位，我們可以意識到，地球到除太陽以外其他恆星的距離遠大於地球到太陽系內其他行星的距離。
那麼天文學家如何測量恆星的距離呢？可以使用視差測量距離我們相對較近的恆星的距離。視差是指當觀察者位置發生變化時所發生的位置明顯變化。
要看一個視差的例子，試著將你的手指放在你眼睛前面大約 1 英尺（30 釐米）處。現在，一邊注視著你的手指，一邊閉上一隻眼睛，然後閉上另一隻眼睛。在兩隻眼睛之間交替，注意你的手指看起來是如何移動的。你的手指位置的變化是一個視差的例子。現在試著將你的手指移近你的眼睛，然後重複實驗。你注意到有什麼不同嗎？你的手指離你的眼睛越近，由於視差而導致的位置變化就越大。
如圖 26.6 所示，天文學家使用相同的原理來測量恆星的距離。然而，他們不是看手指，而是看一顆恆星。而且他們不是在兩隻眼睛之間來回切換，而是使用最大的觀察位置差異。為此，他們首先從一個位置觀察恆星，並記錄恆星相對於更遙遠恆星的位置。然後，他們等待 6 個月；在這段時間裡，地球繞太陽執行，從其軌道的這邊移動到另一邊。當他們再次觀察恆星時，視差會導致恆星相對於更遙遠恆星的位置發生變化。從這種變化的大小，他們可以計算出到恆星的距離。
對於距離超過幾百光年的恆星，即使使用最精確的儀器，視差也小到無法測量。對於這些更遙遠的恆星，天文學家使用更間接的方法來確定距離。大多數這些其他方法涉及確定他們正在觀察的恆星的真實亮度。例如，如果該恆星的特性與太陽相似，那麼它的亮度應該與太陽大致相同。然後，他們可以將觀察到的亮度與預期亮度進行比較。這就像問，“太陽要離我們多遠才能看起來這麼暗？”
- 星座和星群是天空中星星的明顯圖案。
- 同一個星座中的星星通常在太空中並不彼此靠近。
- 恆星透過其核心中的核聚變反應產生能量。
- 恆星的顏色由其表面溫度決定。
- 恆星根據顏色和溫度分類。最常見的系統使用字母 O（藍色）、B（藍白色）、A（白色）、F（淡黃色）、G（黃色）、K（橙色）和 M（紅色），從最熱到最冷。
- 恆星由稱為星雲的氣體和塵埃雲形成。恆星會坍縮，直到其核心開始核聚變。
- 恆星在其主序星階段度過了大部分時間，將氫聚變為氦。
- 典型的類太陽恆星會膨脹成紅巨星，然後逐漸消失成為白矮星。
- 非常大的恆星會膨脹成紅超巨星，在超新星中爆炸，然後最終成為中子星或黑洞。
- 天文距離可以用光年衡量。光年是指光在一年的時間內傳播的距離。1 光年 = 9.5 萬億公里（5.9 萬億英里）。
- 視差是指當觀察者的位置發生變化時物體位置的明顯變化。天文學家使用視差來測量相對較近的恆星的距離。
- 是什麼區別了星雲和恆星？
- 什麼型別的反應為恆星提供能量？
- 哪個表面溫度更高：藍星還是紅星？
- 列出七種主要的恆星類別，從最熱到最冷。
- 當恆星處於主序星階段時，恆星核心發生的主要反應是什麼？
- 太陽離開主序星階段後會變成什麼型別的恆星？
- 假設一顆大恆星在超新星中爆炸，留下一個質量是太陽 10 倍的核心。恆星核心會發生什麼？
- 光年的定義是什麼？
- 為什麼天文學家不使用視差來測量非常遙遠的恆星的距離？
- 星群
- 一組或一群星星，在天空中看起來彼此靠近。
- 黑洞
- 超巨星在超新星中爆炸後留下的超緻密核心。
- 星座
- 夜空中星星的明顯圖案。
- 光年
- 光在一年的時間內傳播的距離；9.5 萬億公里。
- 主序星
- 將氫原子聚變為氦的恆星；處於其“生命”主要部分的恆星。
- 星雲
- 星際氣體和塵埃雲。
- 中子星
- 大質量恆星在超新星中爆炸後留下的殘骸。
- 核聚變反應
- 當兩個原子的原子核融合在一起時，會釋放出巨大的能量。
- 視差
- 天文學家用來計算附近恆星距離的一種方法，使用相對於遙遠恆星的明顯位移。
- 紅巨星
- 恆星發展階段，內層氦核心收縮，而外層氫層膨脹。
- 超新星
- 當恆星核心主要由鐵組成時發生的巨大爆炸。
- 恆星
- 透過核聚變反應產生光的球形發光氣體。
- 雖然恆星在星座中看起來可能彼此靠近，但它們通常在太空中並不彼此靠近。你能想到任何在太空中相對靠近的天體群嗎？
- 大多數星雲的質量都超過一顆恆星。如果一個大型星雲坍縮成幾個不同的恆星，結果會怎麼樣？