宇宙中的恒星在其一生中,光度和颜色是如何变化的?

虽说要谈宇宙中的所有恒星,听起来很庞大,但它们都以同样的方式运作,其一生的变化,死亡的方式,只跟一个因素有关,那就是质量。所我们可以把宇宙中的恒星按照其分类总结起来说。

宇宙中的恒星类型

虽然夜空中的星星在我们的肉眼看来大多是白色的,而且彼此之间非常相似,但事实是它们之间有各种各样的颜色和固有的亮度。下图是自哈勃太空望远镜拍摄到的恒星照片。这样的细节,我们的肉眼根本看不到。

虽说世间万物,乃至我么人类自身的命运充满了随机性,但宇宙中的每一颗恒星(除非它与另一颗恒星合并)其命运从诞生之日起就已经完全确定了。这正是一颗恒星从始至终的运作方式。

当一团巨大的分子云(一团富含氢的冷气体云)崩塌时,其中很大一部分会形成新的恒星。这些恒星有大有小,但气体云的质量在七种主要的主序星类型中会大致均匀地分布。

这就意味着所形成的恒星中只有大约0.12%的o型和b型恒星,而大约75%是m型恒星。不出所料,o型星将是所有恒星中最亮、最蓝的,因为它们的质量最大,消耗燃料的速度也最快。这就是为什么,当我们观察一个非常年轻的星团时,它所发出来的光芒会被非常明亮的蓝色恒星所主宰,那么更暗、更红的恒星我们根本看不到,但它们的数量确实很多。

恒星赫罗图,研究恒星演化的重要工具

如果我们根据一个星系团中的每颗恒星本身的光度或内在亮度在Y轴上排列,根据其颜色在x轴上排列(左边最蓝,右边最红),我们会得到一条向上弯曲的路径。这种类型的图被称为赫罗图(或者简称为H-R图),而这条蜿蜒的路径被称为恒星主序列,而处在主序列的恒星主要是在其核心燃烧氢。(包括我们的太阳在内!)

但是随着时间的推移,恒星的核心耗尽了氢燃料,而最蓝、最大质量的恒星消耗氢的速度最快!一个年轻的星团只有主序星,而一个较老的星团将有一个看起来复杂得多的H-R图。例如,球状星团M55,其非常古老,它的H-R图是下图这样的。

在这个星团中的大质量恒星,(所有比太阳质量大的恒星)早已停止了核心的氢聚变反应。(而左边的蓝色恒星被称为蓝离散星,它们是由两个质量较低的主序恒星合并而成的。)恒星核心消耗完氢以后,恒星都会收缩。而热力学告诉我们,当恒星的核心的收缩时,温度会升高。在核心周围会形成一层氢聚变层,从而释放出较大的能量,导致了恒星外层的膨胀。(除了m星外,因为它质量太低,无法开始另一阶段的融合。每一颗恒星都会膨胀)

这个过程会导致主序星演变成一个亚巨星,一个比以前的主序星更亮更冷的恒星。

目前的南河三就是这种情况,一颗亚巨星!它是夜空中最亮最近的恒星之一,离我们只有11.5光年远。在数千万年的时间里,亚巨星的外层将继续膨胀和冷却,而它们的惰性核心将继续升温,最终达到一个足够高的温度,开始在其核心熔化氦!

在这个阶段,恒星会膨胀得非常大,变成了一颗真正的红巨星,这是一个可能持续数亿年的进化阶段,也是恒星达到最大光度的阶段。这些恒星由于其巨大的、不断增大的体积而在演化过程中逐渐冷却下来。当巨大的红巨星开始在核心聚变氦时,首先会形成碳,然后变成氧和更重的元素,外层光度大致保持不变,但是核心逐渐变得更小、更蓝。相比之下,下图是太阳和大角星(一个橙色的巨星),还有心宿二(一个红色的巨星)。

这一阶段的进化被称为水平分支,因此,几乎所有k类恒星(或更重的恒星)的序列变化如下:主序列(氢核燃烧)到亚巨星(氢壳燃烧)到红巨星(氦核燃烧)再到水平分支恒星(继续氦燃烧成更重的元素)。

最后,如果原恒星的质量低于太阳质量的8到10倍,融合就会结束,恒星的核心就会收缩成白矮星,在这个过程中,恒星的外层会被吹散,变成行星状星云,颜色和形状千变万化。

剩下的核心白矮星的亮度只有原恒星的百万分之一,但它们比原恒星温度更高,因此颜色也比原恒星更蓝。所有的k型,G型,F型,A型,以及大多数b型恒星,最终都会变成白矮星。

但是那些o型或少数大质量b型恒星,那些10倍于太阳质量的恒星,核心质量所产生的引力将压垮单个原子,使整个核心崩溃,产生壮观的超新星爆发,最终导致黑洞或中子星的形成!

这就是整个宇宙中不同恒星星光的演化!