天文太空

恆星嘉年華

宇宙就像個超大村落,無數的星星居民在其中歷經生老病死;而且就如同人類世界的各色人種般,這些村民也各具色彩,還有雙胞胎、多胞胎、巨人族和哈比族!

撰文/陳文屏

天文太空

恆星嘉年華

宇宙就像個超大村落,無數的星星居民在其中歷經生老病死;而且就如同人類世界的各色人種般,這些村民也各具色彩,還有雙胞胎、多胞胎、巨人族和哈比族!

撰文/陳文屏


事情曾經很簡單,天上的星星彼此相對位置恆久不變的稱為「恆星」,而看起來似乎在恆星之間行走的稱為「行星」。金、木、水、火、土這五行,人類已經觀察幾千年了。


接著事情開始有點複雜了,人們發現地球也是行星之一;望遠鏡發明以後,又找到天王、海王,以及冥王星,所以人們曾經認為共有九顆行星繞著太陽運轉。這時候我們說太陽是恆星,因為它靠著核反應而自行發光,行星則繞行太陽,靠反射陽光而明亮。還有些小天體也繞著太陽轉,於是它們被稱為「小行星」。後來,人們知道其他恆星周圍也有行星繞行,目前已經發現百來個這樣的「太陽系」。


近幾年,天文學家又發現海王星軌道之外其實還有好多天體,有的甚至比冥王星還大。這下有問題了,我們是把比冥王星大而又繞行太陽運行的也稱為行星呢?還是因為冥王星甚至比月球還來得小,所以乾脆把冥王星從行星除名?如果有小型天體並沒有繞行任何恆星,而在太空中自由遊走,我們又要怎麼稱呼這些天體呢?


太陽的生與死


太陽源於一團星際雲氣。雲氣由於本身萬有引力收縮而使溫度升高,若是溫度高到足以點燃核反應,簡單的原子核便結合成為較複雜的原子核,例如氫原子核(也就是質子)彼此連鎖反應而形成氦原子核,同時釋放出能量,這就是「核熔合反應」,一顆自行發光的恆星於焉誕生。


乍聽之下這似乎順理成章,但若仔細推敲,卻會發覺其中蹊蹺,因為質子帶正電,彼此之間存在排斥電力,距離越近排斥力越大,根本無法相互接近,要如何能夠熔合在一起呢?更進一步想,一般原子核當中聚集了大量的質子,它們不也應該彼此排斥嗎?原來,在極高溫的環境裡,氣體運動快速,使得質子有機會彼此接近,若是距離接近原子核尺度時,它們之間會產生相吸的強作用力,遠大於排斥的電力,而熔合成比較複雜的原子核,新的原子核把自己「抓」得比較緊,因此釋放出能量。所以要引發核熔合反應的關鍵,在於必須擁有極高溫的環境,氫原子核的熔合反應,大約需要數百萬度以上。環境溫度越高,熱熔合反應的速率便呈倍數增快,所釋放的能量也就會急遽增加。


太陽的直徑約140萬公里,只有在核心處溫度才高到足以進行核反應,超過半徑1/4以外的區域,便不再有核反應。在核心的熔合反應會產生γ射線(能量)向外傳遞,越往外面溫度越低,到太陽表面時,溫度約5500℃。核心產生的能量傳播到各區域,使氣體能夠快速運動,彼此碰撞的支撐力量(也就是氣體熱壓力)得以平衡向內的萬有引力,而達到平衡狀態。太陽的體積龐大,核心所包含的氫足以讓它持續照耀約100億年,據估計太陽已經發光了近50億年,也就是已經過了大半輩子。一旦核心區域的氫全部變成了氦,提供能量的機制消失,氣體壓力再也無法抵擋萬有引力,太陽的核心便會向內塌縮,開始走向衰亡之路。


太陽核心的氫氣雖然消耗殆盡,但其實外圍還有氫氣,核心與外圍兩部份從此有不同的演化命運。核心一旦塌縮,溫度再度上升,要是核心夠大,溫度便能升高到足以引發氦的熔合反應,星體再度有了向外支撐的力量。但是核反應速度太快,加上氦元素含量又少,這樣的平衡維持不久,於是核心再度收縮。質量夠大的核心可能引發一連串核反應,最後剩下由鐵元素構成的核心。這是核熔合的終點,因為熔合比鐵還重的元素並不會釋放能量,反而需要注入能量。


我們日常生活看到的東西可以分解成個別的原子,原子的構造包括一個非常緊密的原子核,外面圍繞著電子。當太陽核心燃料用完後,萬有引力會將電子擠壓到緊貼著原子核的表面,而得以再度撐住星體內縮的趨勢。如此構成的星體,物質擠壓得非常緊,體積很小,但溫度很高,天文學家稱之為「白矮星」(white dwarf)。小指尖大小(1c.c.)的白矮星物質重達上百公噸,相當於一輛貨櫃車!


天文學家喜歡用不同顏色來表示星體的表面溫度,例如以藍、白表示熾熱,而紅、棕表示溫、冷;另外用擬人法,以巨大或矮小表示星體的大小。例如前述太陽核心塌縮成為白矮星,但是同時外圍的氫氣則膨脹而且溫度下降,成為「紅巨星」(red giant)。當太陽演化成為紅巨星時,龐大的體積連地球都將被吞噬。白矮星已經不再進行任何核反應了,因此其命運就是逐漸冷卻,光度也下降,最後就變成「黑矮星」(black dwarf)。


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