為什么太陽可以發(fā)光?

【專家解說】：在群星之間,并不是空無一物,而是布滿了物質(zhì),是氣體,塵埃或兩者的混合物.其中一種低溫,不發(fā)光的星際塵云,相信是形成恒星的基本材料. 這些黑暗的星際塵云溫度很低,約為攝氏-260至-160之間.天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)這類物質(zhì)如果沒有什么外力的話,這些星際塵云就如天上的云朵,在太空中天長地久的飄著.但是如果有些事情發(fā)生,例如鄰近有顆超新星爆炸,產(chǎn)生的震波通過星際塵云時,會把它壓縮,而使星際塵云的密度增加到可以靠本身的重力持續(xù)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云間的碰撞,也可能使星際云產(chǎn)生重力潰縮. 大約在五十億年前,一個稱為”原始太陽星云”的星際塵云,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(dāng)體積縮小百萬倍后,成為一顆原始恒星,核心區(qū)域溫度也升高而趨近于攝氏一千萬度左右.當(dāng)這個原始恒星或胎星的核心區(qū)域溫度高逹一千萬度時,觸發(fā)了氫融合反應(yīng)時,也就是氫彈爆炸的反應(yīng).此時,一顆叫太陽的恒星便誕生了. 經(jīng)過一連串的核反應(yīng),會消耗掉四個氫核,形成一個氦核,而損失了一點點的質(zhì)量.依據(jù)愛因斯坦質(zhì)量和能量互換的方程式E=MC^2,損失的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為光和熱輻射出去,經(jīng)過一路的碰撞,吸收再發(fā)射的過程,最后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(dāng)太陽中心區(qū)域氫融合反應(yīng)產(chǎn)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并不穩(wěn)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,恒星大氣因此膨脹.但是一膨脹,溫度就跟著下降.膨脹過頭,導(dǎo)致溫度過低,使熱膨脹壓力擋不住重力,則恒星大氣開始收縮.同樣的,一收縮,溫度就跟著上升,收縮過頭,導(dǎo)致溫度過高,又使熱膨脹壓力超過重力, 恒星大氣又開始膨脹. 這種膨脹,收縮的過程反覆發(fā)生,加上周圍還籠罩在云氣中,因此亮度變化很不規(guī)則.但是脹縮的程度慢慢縮小,最后熱膨脹力和收縮力達到平衡,進入穩(wěn)定期.此時,太陽是一顆黃色的恒星,差不多就像我們現(xiàn)在看到的一樣. 太陽進入穩(wěn)定期后,相當(dāng)穩(wěn)定的發(fā)出光和熱,可以持續(xù)一百億年之久.這期間占太陽一生中的90%,天文學(xué)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后,將進入晚年. 有足夠長的穩(wěn)定期,對行星上的生命發(fā)生非常重要.以地球的經(jīng)驗來說,地球太約和太陽同時形成,將近十億年后才出現(xiàn)生命,經(jīng)過四十多億年后,才發(fā)展出高等智慧的生物.因此,天文學(xué)家要找外星生命,只對生存期超過四十億的恒星有興趣. 太陽在晚年將成為紅巨星 太陽在晚年時,將己經(jīng)耗盡核心區(qū)域的氫,這時太陽的核心區(qū)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(yīng),再外圍便是太陽的一般物質(zhì).氫融合反應(yīng)產(chǎn)生的光和熱,正好和收縮的重力相同.核心區(qū)域的氦由于溫度較低,而氦的密度又比氫大,所以重力大于熱膨脹力而開始收縮,核心區(qū)域收縮產(chǎn)生的熱散布到外層,加上外層氫融合反應(yīng)產(chǎn)生的熱,使得太陽外部慢慢膨脹,半徑增大到吞沒水星的范圍. 隨著太陽的膨脹,其發(fā)光散熱的表面積也隨之增加,表面積擴大后,單位面積所散發(fā)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(fā)生的電磁輻射中,以紅光最強,所以將呈現(xiàn)一個火紅的大太陽,稱為”紅巨星”. 在紅巨星時期的太陽不穩(wěn)定,外層大氣受到擾動會造成膨脹,收縮的脈動效應(yīng),而且脈動的周期和體積大小關(guān).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,五十億年后,太陽核心區(qū)域收縮的熱將導(dǎo)致外部膨脹,變成一顆紅巨星.充滿氦的核心區(qū)域則持續(xù)收縮,溫度也隨之增加.當(dāng)核心區(qū)域的溫度升至一億度時,開始發(fā)生氦融合反應(yīng),三個氦經(jīng)過一連串的核反應(yīng)后融合成為一個碳,放出比氫融合反應(yīng)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(qū)域再次發(fā)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(gòu)成的核心區(qū)域收縮下去.但是當(dāng)此區(qū)域收縮到非常緊密結(jié)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(chǎn)生碳融合反應(yīng)的地步.因此,太陽核心區(qū)域不再收縮,但也沒有多余的熱使外層膨脹,就如此僵持著,形成了白矮星.由于白矮星的核心沒有核融合反應(yīng)來供給光與熱,整個星球越來越暗,逐漸黯淡下去,最后變成一顆不發(fā)光的死寂星球----黑矮星.經(jīng)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(xué)家認為銀河系還沒有老到可以形成黑矮星. 經(jīng)過計算,太陽體積縮小一百萬倍,約像地球一樣大時,物質(zhì)間擁擠的的程度才足以抗拒重力收縮.想想,質(zhì)量與太陽相當(dāng),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(zhì)約有一公噸重,是非常特別的物質(zhì)狀態(tài),物理學(xué)家稱為簡并狀態(tài).原子是由原子核和電子構(gòu)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,卻也反映了微小的物質(zhì)狀態(tài).通常電子都在距離原子核很遠的地方繞轉(zhuǎn)著,如果溫度逐漸降低,或是外力逐漸增加,則電子的活動范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范圍,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(dāng)所有的電子都被迫壓擠再原子的表層時,物質(zhì)狀態(tài)達到了一個臨界,即使在增加壓力,也無法將電子往內(nèi)壓擠.這種由電子處于最內(nèi)層而產(chǎn)生的抗壓力稱為電子簡并壓力.依據(jù)理論推算,質(zhì)量小于一點四個太陽質(zhì)量的星球重力,不足以壓垮電子簡并壓力,因此白矮星的質(zhì)量不能比一點四個太陽質(zhì)量更大.到目前為止,所發(fā)現(xiàn)的白矮星數(shù)量超過數(shù)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(xué)家錢德拉沙哈(Subrahmanyan Chandrasekhar 1910-1995)在1931年利用量子力學(xué)所求出來的,因此稱為錢式極限(Chandrasekhar’s limit). 當(dāng)錢德沙哈拉當(dāng)年提出的這種由電子簡并壓力擋住重力收縮的星球時,并沒有得到贊揚,再英國皇家天文學(xué)會在一九三五年所舉辦的研討會中,更受到當(dāng)代大師愛丁頓(Authur Eddington)爵士打壓,認為宇宙中并沒有這種天體.德拉沙哈受到這個打擊后,沒有辦法在即刊上發(fā)表論文,因此他寫了一本書<<恒星的結(jié)構(gòu)與演化>>,后來成為這個領(lǐng)域中的經(jīng)典之作.為什么要稱之為白矮星呢?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,但是后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多同類的恒星,星光顏色屬于溫度較低的黃色橙色,但是仍然稱它們?yōu)榘装?白矮星因此成為一個專有名詞,專指這類由電子簡并壓力擋住重力收縮的星球. 有關(guān)星星歷史上的記載與傳說 不論中外,有關(guān)昂宿星團的記載都超過三千多年,它就是北天最明亮的星團之一.這個看起來模糊的一團天體,我國稱之為昂宿,是二十八星宿中的一個.詩經(jīng)中的<昭南.小星>就已經(jīng)提到昂宿,<爾雅>釋天中也提到西路昂也，昂的意思是毛毛的，所以稱之為昂。史記-天關(guān)書中昂曰髦頭，就是這個意思。昂宿星團在日本神話故事中，有許多不同的名稱和故事，但大都與農(nóng)業(yè)和漁業(yè)有關(guān)。例如在日本有些農(nóng)業(yè)區(qū)，當(dāng)看到昂宿星團與太陽一同升起時，表示到了春天播種的季節(jié)。有些沿海的地區(qū)，余名看到昂宿星團升起與落下來決定是否撒網(wǎng)。而在希臘神話中，七姊妹是擎天神阿特拉斯的女兒，她們是月亮女神阿特密斯的宮女，有一天再草原上玩耍的十，獵戶奧萊翁突然闖了進來，七姊妹嚇的逃到天上，躲在女神的袖子里，事后女神打開衣袖只見七只鴿子縮成一團。雖然奧萊翁無法抓到她們，但是他卻一直追求著，直到天神宙斯同情而將她們安置在天上，成為七姊妹星團。從天文學(xué)的角度上看，最有可能的情況是第七顆星是一顆變星，原來很亮，后來變暗了。依據(jù)天文學(xué)家的研究，昂宿星團是一個行程至今約一億年的年輕星團，其中包含許多亮度變化不規(guī)則的變星。由于昂宿星團屬于年輕的星團，其中一些壽命很短的恒星才剛進入演化末期，這些恒星的亮度大都不穩(wěn)定，例如金牛座BU星就是一顆亮度變化不規(guī)則的變星。 重質(zhì)量恒星的演化 當(dāng)這些物質(zhì)以高速撞擊在堅硬無比的內(nèi)核區(qū)域時，產(chǎn)生強大的反彈力，而形成向外傳播的震波。這種情形就像一個人用力拍桌子，越用力，產(chǎn)生反彈力道也越大。震波以超音速往外震動，擠壓外層物質(zhì)，促使溫度急速升高，因此整個星球由內(nèi)重質(zhì)量恒星的穩(wěn)定期依其質(zhì)量有很大的差別,擊中質(zhì)量恒星的壽命相當(dāng)短,只有數(shù)千萬年.質(zhì)量比太陽大倍以上的恒星壽命大約為數(shù)億年至數(shù)十億年。重質(zhì)量恒星短壽的原因是質(zhì)量大，導(dǎo)致收縮的重力也非常強而有力，使得恒星內(nèi)和區(qū)域溫度比較高，連帶使核反應(yīng)速率更勁爆，發(fā)出威猛的光與熱，造成核星表面的溫度比太陽型恒星高數(shù)倍以上，向太空輻射的光與熱成幾何級數(shù)增加.當(dāng)恒星形成時，質(zhì)量就已經(jīng)固定，因此恒星發(fā)光發(fā)熱都是在吃老本。重質(zhì)量恒星本錢雖比太陽要多，但是其發(fā)熱的速度卻是數(shù)十倍以上，顯然很快的便耗盡核反應(yīng)的原料而進入演化的末期. 中子星 原子的直徑范圍比原子核大上一萬倍，所以當(dāng)電子被擠壓進入原子核時，直徑就縮小了一萬倍以上，體積則縮小了一兆倍以上。因此，所有物質(zhì)都成為中子時，體積可以說是小的驚人，密度也大的嚇人?？箟毫Ω谴蟆＿@種以中子緊密壓擠在一起的抗壓力，稱為{中子簡并壓力}。依據(jù)理論，重質(zhì)量恒星在演化末期，核心區(qū)域的質(zhì)量如果在二至三個太陽質(zhì)量之間，則強大的重力會把物質(zhì)擠壓成為中子。此時星球直徑約為三十公里左右，強大的中子簡并壓力擋住了重力，星球不在收縮成為一個中子星。說到這里，中子星的故事并不完整，前面只其到恒星中央?yún)^(qū)域的情形，因此還要加上外層區(qū)域的變化情形，才會完整。經(jīng)由目前物理學(xué)家仍不完全了解的過程，中心區(qū)域的物質(zhì)全被擠壓成中子時，星球內(nèi)部的物質(zhì)隨著強大的重力陷向中心，陷落得速度非常快，核區(qū)域到表層的溫度都高到能產(chǎn)生核融合反應(yīng)。想想，如果地球上所有氫彈同時爆炸的情景。這可是整個星球都在發(fā)生核融合反應(yīng)，將整個星球炸碎，形成天文學(xué)家所說的”超新星爆炸”。超新星爆炸有如煙火一樣四射，只是規(guī)模大的多，持續(xù)得時間也久，整個超新星爆炸有如煙火一般四射，只是規(guī)模大的多，持續(xù)的時間也久。整個超新星爆炸擴散的過程可以持續(xù)數(shù)千年至數(shù)萬年之久，闊至張范圍渴達數(shù)十光年之遠。在銀河系中，超新星爆炸是最壯觀的事件了?？偨Y(jié)來說，質(zhì)量比太陽大三倍以上的恒星就可能產(chǎn)生超新星爆炸。而炸碎后中心留下一個中子星。中子星主要經(jīng)由中子構(gòu)成，直徑約為數(shù)十公里，密度是水的數(shù)千萬至一億倍，真是個異常的星球。 黑洞 質(zhì)量在六個至八個太陽質(zhì)量以上的恒星，在演化末期發(fā)生超過超新星爆炸時，如果內(nèi)核區(qū)域的質(zhì)量大于三個太陽質(zhì)量，則連中子簡并壓力也抵擋不住強大的重力收縮，物質(zhì)只好一路收縮下去，目前只有愛因斯坦提出的廣義相對論可以解釋這種問題。依據(jù)理論，物質(zhì)縮小到約三公里左右，進入一個連光線都無法脫逃的范圍，除了總值量，電核自轉(zhuǎn)外，失去的所有的訊息，理問物理學(xué)家稱這種奇異的狀態(tài)為”黑洞”。既然黑洞不發(fā)光，那么要如何去發(fā)現(xiàn)他勒?對于單獨的黑洞，物理學(xué)家仍想不出好方法，但是如果黑洞是雙星系統(tǒng)之一，則可以藉由觀測雙星的運動來推估看不到的伴星質(zhì)量，伴星質(zhì)量超過三個太陽質(zhì)量而又看不到他，則可能是黑洞了。在雙星系統(tǒng)中，如果其中之一是黑洞，則另外一顆恒星在演化晚期膨脹成為超巨星時，膨脹的物質(zhì)會被黑洞強大的重力吸引，盤旋般向黑洞陷落。在盤旋陷落得過程中，形成一個吸積盤。物質(zhì)在吸積盤中盤旋陷落得過程中，一路碰撞推擠，半徑越來越小，溫度也隨之升高。在吸積盤內(nèi)層溫度高達攝氏百萬度，發(fā)出X光。因此，天文學(xué)家搜索X光雙星系統(tǒng)來推算看不見的伴星質(zhì)量，如果這個看不見的伴星質(zhì)量超過三個太陽質(zhì)量，則認為他是黑洞的候選者。經(jīng)過科學(xué)家近一百年的探究，對恒星結(jié)構(gòu)的演變勾勒出一個輪廓，讓我們認識恒星如何演變，步向終局的故事。其中有的恒星不由自主的步向轟轟烈烈的爆炸，許多元素像是鈣，矽，鐵等，就藉著超新星爆炸四散成為星際介質(zhì)。這些物質(zhì)在機緣巧合下，化作春泥更護化，經(jīng)過重力的壓縮后，又成為一顆燦爛的恒星，由于有這些元素，因此可以形成類似地球的行星，稱命的發(fā)生也是要靠這些元素。例如在人體里面，血的成份有鐵，骨骼有鈣等，所以天文學(xué)家常說:”我們是超新星的子民’’。