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紅巨星
恒星燃燒到后期經(jīng)歷的階段
介紹
恒星依靠其內(nèi)部的熱核聚變而熊熊燃燒著。核聚變的結(jié)果，是把每四個氫原子核結(jié)合成一個氦原子核，并釋放出大量的原子能，形成輻射壓。處于主星序階段的恒星，核聚變主要在它的中心（核心）部分發(fā)生，輻射壓與它自身收縮的引力相平衡，恒星內(nèi)部氫的燃燒消耗極快，中心形成氦核并且不斷增大。隨著時間的延長，氦核周圍的氫越來越少，中心核產(chǎn)生的能量已經(jīng)不足以維持其輻射，于是平衡被打破，引力占了上風，有著氦核和氫外殼的恒星在引力作用下收縮坍塌，使其密度、壓強和溫度都急劇升高，氫的燃燒向氦核周圍的一個殼層里推進。這以后恒星演化的過程是：內(nèi)核收縮、外殼膨脹——燃燒殼層內(nèi)部的氦核向內(nèi)收縮并變熱，而其恒星外殼則向外膨脹并不斷變冷，表面溫度大大降低。這個過程僅僅持續(xù)數(shù)十萬年，這顆恒星在迅速膨脹中變?yōu)榧t巨星。氦聚變最后的結(jié)局，是在中心形成一顆白矮星。
分類特征
演化
質(zhì)量在太陽的9至40倍之間的恒星，在耗盡了核心的氫燃料之后，燃燒將會移至核心外圍的氫氣層。因為惰性的氦核本身沒有能源，便因為重力而收縮并被加熱，在上面的氫也會跟著一起收縮，因此融合的速度會增加，產(chǎn)生更多的能量，導致恒星變得更為明亮(比原來亮1,000～10,000倍)并且使體積膨脹。體積膨脹的程度超過發(fā)光能力的增加，因此表面的有效溫度下降。表面溫度的下降使得恒星的顏色傾向紅色，因此稱為紅巨星。理論上，恒星光譜從A至K的主序星會演化成為紅巨星及紅超巨星，而O與B型的恒星會成為藍超巨星（與紅巨星演化有很多不同處）。
對質(zhì)量小于2.5倍太陽的恒星而言，氦核心需要持續(xù)收縮以對抗越來越多的核心的氦積聚，對抗重力的唯有電子簡并壓力。所以，當溫度上升到～1億度的點燃溫度時，早已是類似“白矮星”一般的簡并態(tài)致密核。這樣的氦燃燒無法及時通過熱膨脹把能量傳輸出去，就會出現(xiàn)熱失控的氦閃，大約在1分鐘內(nèi)，氦核的大部分都聚變?yōu)樘己耍ㄒ约昂罄m(xù)的氧核），并向恒星外層傳輸出巨量的能量，導致恒星突然性變亮，并持續(xù)一個短周期。然后，核心又不再產(chǎn)生能量，外層的氫在較淺的位置上以較復雜的方式繼續(xù)聚變成氦。恒星核心再次緩慢積聚氦，較長的一段時間后，類似的氦閃又在富含碳-氧內(nèi)核外的氦包層中再次發(fā)生。這時的恒星就位于赫羅圖上的漸近巨星分支上，每次氦閃后，從一個紅巨星分支進入另一個分支。
如何定義
紅巨星是一種演化晚期的恒星，廣義上包括氫燃燒以后離開主星序的所有的大光度的恒星。它們位于赫羅圖的右方或右上方，屬于巨星支或超巨星支，通常這些巨星支或超巨星支的恒星大部分是體積和光度均很大的K型星和M型星，因而是光色發(fā)紅的低溫恒星，故稱為紅巨星，一部分則為
O型和B型的藍巨星或藍白巨星，還有一些為亞巨星支的G、F、A型黃巨星或黃白巨星、白巨星，這類天體的一部分靠近主序的是剛剛從主序移出不久的主序后恒星，另一些則是演化過程中的處于某一階段的形式，在這一星族中，存在很多型的變星，如造父變星、天琴座RR型變星等，除此之外，一些處于演化早期的恒星也出現(xiàn)在這一區(qū)域中，如金牛座的T型星等，但這一類的恒星周圍常有彌漫的氣體云，而一般的紅巨星則沒有，這是兩者現(xiàn)象的一個不同之處。各類質(zhì)量的恒星轉(zhuǎn)化為紅巨星的現(xiàn)象是不同的，對于質(zhì)量較小的恒星（小于太陽質(zhì)量的一半），氫耗盡后中心發(fā)生十分緩慢的收縮，最終在未引起氦燃燒以前就處于簡并態(tài)的電子氣的平衡態(tài)，因而收縮就會停止，而外殼則稍稍向外膨脹一下，即失去了可見光譜的輻射能力，轉(zhuǎn)化為核心物質(zhì)周圍的冷的星云，核心部分外層剩余的氫由于不足以支持星體的輻射而逐漸熄滅，逐漸向簡并態(tài)電子氣平衡的核心收縮。星體核心物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一顆白矮星而消亡，質(zhì)量更大一些的、在太陽質(zhì)量1.8—2.2倍以下的恒星，氫耗盡以后核心也收縮為電子氣的簡并態(tài)平衡狀態(tài)，由于外層的氫燃燒產(chǎn)生的氦不斷加入，氦核心質(zhì)量不斷增大，因而緩慢向內(nèi)收縮，當中心的氦核心質(zhì)量增大到0.45個太陽質(zhì)量時，氦核心收縮的溫度使氦被點燃，核心物質(zhì)在簡并態(tài)電子氣平衡的條件下發(fā)生核燃燒，產(chǎn)生的熱量使氦核心發(fā)生膨脹，進而恢復為電子氣的非兼并態(tài)，然后形成穩(wěn)定的核燃燒，質(zhì)量更大的恒星，內(nèi)部會在非簡并態(tài)下直接發(fā)生核燃燒。
紅巨星
對于質(zhì)量在太陽1.5倍以下的恒星，它在赫羅圖上的移動軌跡是一條底部略有曲折的斜向上的曲線，當恒星移動到這條曲線的頂端時，即發(fā)生氦燃燒，爾后，由于恒星物質(zhì)的熱逃逸，氦燃燒變得平穩(wěn)，光度下降，移至略向左傾斜一點的位置，處于長期的停留狀態(tài)，而質(zhì)量在太陽1.5倍以上的恒星，在赫羅圖上的移動曲線主要表現(xiàn)為一條水平的曲折的向上移動的軌跡，對于質(zhì)量在太陽10倍以下的恒星，在移向赫羅圖右端時發(fā)生氦燃燒，質(zhì)量大于太陽10倍的恒星，在離開主序后的左端部位即發(fā)生氦燃燒，氦燃燒的結(jié)果是生成碳。
這個反應通常稱為反應，實際上是按照上面兩步進行的，直接進行反應的幾率很小，由于生成的鈹是具有放射性的，只要在非常短的時間內(nèi)就會重新分解為氦，所以第二步的反應必須緊接著第一步的反應很快地進行，反應才能完整地發(fā)生，這就要求星體內(nèi)部具有較高的密度和溫度，這和氫的燃燒大不相同了。恒星內(nèi)部的氦燃燒的時間比氫燃燒短得多，像太陽這樣的恒星可持續(xù)10億年，而質(zhì)量在太陽幾倍到幾十倍的恒星，就只有幾十萬年到幾千年，比主序星的壽命短得多，這就是為什么恒星大多分布集中在主序上的原因。
形成原因
恒星開始核反應后在反抗引力的持久斗爭中，其主要武器就是核能。它的核心就是一
顆大核彈，在那里不斷地爆炸。正是因為這種核動力能自我調(diào)節(jié)得幾乎精確地與引力平衡，恒星才能在長達數(shù)十億年的時間里保持穩(wěn)定。熱核反應發(fā)生在極高溫度的原子核之間，因而涉及物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。在太陽這樣的恒星中心，溫度達到一千五百萬開氏度，壓強則為地球大氣壓的三千億倍。在這樣的條件下，不僅原子失去了所有電子而只剩下核，而且原子核的運動速度也是如此之高，以至于能夠克服電排斥力而結(jié)合起來，這就是核聚變。
紅巨星
恒星是在氫分子云的中心產(chǎn)生的，因而主要由氫組成。氫是最簡單的化學元素，它的原子核就是一個帶正電荷的質(zhì)子，還有一個帶負電荷的電子繞核旋轉(zhuǎn)。恒星內(nèi)部的溫度高到使所有電子都與質(zhì)子分離，而質(zhì)子就像氣體中的分子在所有方向上運動。由于同種電荷互相排斥，質(zhì)子就被一種電“盔甲”保護著，從而與其他質(zhì)子保持距離。但是，在年輕恒星核心的一千五百萬開氏度的高溫下，質(zhì)子運動得如此之快，以至于當它們相互碰撞時就能夠沖破“盔甲”而粘合在一起，而不是像橡皮球那樣再彈開。四個質(zhì)子聚合，就成為一個氦核。氦是宇宙中第二位最豐富的元素。氦核的質(zhì)量小于它賴以形成的四個質(zhì)子質(zhì)量之和。這個質(zhì)量差只是總質(zhì)量的千分之七，但是這一點質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化成了巨大的能量。像太陽那樣的恒星有一個巨大的核，在那里每秒鐘有六億噸氫變成氦。巨大的核能量朝向恒星外部猛烈沖擊就能阻止引力收縮。
然而，“恒定”的演化歷程終將結(jié)束，當所有的氫都變成了氦時，核心的火就沒有足夠的燃料來維持，恒星在主序階段的平靜日子就到了盡頭，大動蕩的時期來到了。一旦燃料用光，熱核反應的速率立即劇減，引力與輻射壓之間的平衡被打破了，引力占據(jù)了上風。有著氦核和氫外殼的恒星，在自身的重力下開始收縮，壓強、密度和溫度都隨之升高，于是恒星外層尚未動用過的氫開始燃燒，產(chǎn)生的結(jié)果是外殼開始膨脹，而核心在收縮。
在大約一億度的高溫下，恒星核心的氦原子核聚變成為碳原子核。每三個氦核聚變成一個碳核，碳核再捕獲另外的氦核而形成氧核。這些新反應的速度與緩慢的氫聚變完全不同。它們像閃電一樣快地突然起爆（氦閃耀），而使恒星不得不盡可能地相應調(diào)整自己的結(jié)構(gòu)。經(jīng)歷約一百萬年后，核能量的外流漸趨穩(wěn)定。此后的幾億年里，恒星處于暫時的平穩(wěn)，核區(qū)的氦在漸漸消耗，氫的燃燒越來越向更外層推進。但是，調(diào)整是要付出代價的，這時的恒星將膨脹得極大，以使自己的結(jié)構(gòu)適應于光度的增大。它的體積將增大十億倍。這個過程中恒星的顏色會改變，因為其外層與高溫的核心區(qū)相距很遠，溫度就低了下來。這種狀態(tài)的恒星稱為紅巨星。
巨星真相
紅巨星衰亡時期外圍熾熱物質(zhì)膨脹范圍模型。以太陽系為參照，三個行星軌道從內(nèi)向外依次是地球、火星和木星。今天的全球變暖日益明顯，但是與天文學家從望遠鏡設備中觀測的宇宙中恒星的高溫膨脹過程相比，簡直就是小巫見大巫了。
通過國際天文學家合作研究發(fā)現(xiàn)，通過對宇宙深處數(shù)顆衰老膨脹的恒星及其周邊環(huán)境的仔細觀測，進一步揭開宇宙中衰亡恒星——紅巨星的真實面目；研究結(jié)果使我們可以清晰的預見數(shù)十億年后地球末日來臨時的情景：我們賴以生存的地球最終將面臨高溫熾熱的無情吞噬。因為經(jīng)過天文學家測算，恒星在衰亡時將向外不斷膨脹，到那時候曾給予地球溫暖陽光的太陽最終也會把地球徹底烤干。
此次天文學家對所觀測的獵戶座一等星參宿四(Betelgeuse)和大火(Antares)均屬于米拉級恒星，是紅巨星中體積最大的一類衰亡恒星，由于其體積異常龐大有時也會被稱為紅超巨星?？茖W解釋認為在這類米拉級恒星星體中，供給其熱核反應堆能量的氫元素已經(jīng)基本耗盡，此時這種衰亡恒星便會不斷向外圍膨脹，其擴張范圍的直徑將大大超出地球繞日軌道。而且中心的老恒星會像心臟一樣有規(guī)律地膨脹和收縮，這種規(guī)律性搏動周期大約僅需一年左右時間便可完成一次。
據(jù)法國巴黎天文臺的研究人員蓋伊－佩蘭介紹，當?shù)奶栐跀?shù)十億年后也進入到這一階段，屆時其周邊溫度將急劇升高。預計隨著恒星的規(guī)律性搏動，地球表面溫度最高將可能達到3000攝氏度?！斑@一直接的后果就是，地球上的生命將消失殆盡。”佩蘭博士說：“只不過好在這是數(shù)十億年以后的事了。”此次天文學家在研究工作中將數(shù)臺大型望遠鏡組合起來，形成了一個高效的超大型天文觀測體系，利用干涉測量技術(shù)，首次清晰地觀測到了恒星表面以外的光球?qū)訁^(qū)域。此次研究中的近紅外觀測數(shù)據(jù)均來自美國亞利桑那州史密森天體物理天文臺。天文學家介紹稱：“每經(jīng)歷一次規(guī)律性搏動過程，這些紅巨星便會失去部分質(zhì)量，形成大量的星級介質(zhì)?！备鶕?jù)佩蘭博士的解釋認為，實際測算顯示出每當這些衰老恒星膨脹收縮一次，就會有相當于三分之一個地球那么多的物質(zhì)被拋射到宇宙星際空間中，屆時我們將看到異常美麗的星云擴散場面。不過到目前為止，科學家們還不清楚具體是什么原因產(chǎn)生這一奇異過程。佩蘭博士說：“現(xiàn)在的觀點認為，這種擴張收縮過程使得恒星物質(zhì)漂浮出星體表面，并形成了宇宙塵埃，同時在恒星發(fā)出像風一樣的光熱輻射作用下遠離星體，被吹向廣袤宇宙空間中。”
在此次最新研究中發(fā)現(xiàn)，就在這種恒星輻射風的后面，還存在著一層由水汽和一氧化碳物質(zhì)層，這一氣體層遠離恒星表面并將星體團團圍住。這使得研究人員感到異常困惑，因為光靠大氣壓力的作用還不足以能支撐這一又高又厚的物質(zhì)層。佩蘭和他的研究小組認為，很可能恒星離子在其中起到了一定作用。同時此次天文學家還通過研究進一步核實了米拉級恒星的直徑大小，他們認為此類紅巨星其表層直徑比早先認為的要小，大于只有原先預計的70%左右。以太陽系作為參照，其恒星表層直徑大約在火星繞日軌道(大于地球繞日軌道)范圍左右；而最新發(fā)現(xiàn)的水汽和一氧化碳混合層則遠離恒星表層，其與恒星中心點距離大約相當于太陽系中火星木星之間的小行星帶軌道半徑距離。
此次研究小組美國成員，來自亞利桑那州圖桑市的美國國家光學天文臺的斯蒂芬－瑞基韋表示：“此次的發(fā)現(xiàn)解決了以往對米拉級恒星體積大小的爭論，同時也進一步描述出恒星衰老搏動的過程及其組成物質(zhì)，這些發(fā)現(xiàn)對于其它恒星也將非常適用。”
到此為止我們可以最終得出這樣的結(jié)論：當我們的太陽衰老膨脹時，地球?qū)⒈粡氐淄淌刹⒆罱K蒸發(fā)干凈，同時緊挨地球的火星最終也將面臨被燒焦的厄運。如今所剩下的問題之一就是，像有些科學家推測的那樣，地球上的生命跡象到底是終結(jié)于極度干旱呢，還是被最終被熾熱的太陽膨脹物吞噬后來個徹底的“油炸”呢！
恒星
質(zhì)量很低的紅矮星（<0.5個太陽質(zhì)量）只有對流層，恒星處于完全對流狀態(tài)，恒星的元素豐度基本各處相同。由于核心的溫度本來就不是很高，而且質(zhì)量太小，整個恒星無需過于收縮以頂住引力。所以這些恒星即使到了晚期氫豐度不是很高的情況下，也不能通過收縮讓累積在核心的氦達到核聚變的溫度，既使用盡了氫也不能成為紅巨星。由于它們的主序星階段生命遠遠長于我們宇宙的年齡，這類恒星的演化僅是理論上的，并無觀測實例。
質(zhì)量極高的O、B型星（25個太陽質(zhì)量以上），其主序星階段就位于赫羅圖的左上角頂端，屬于藍巨星甚至藍超巨星。它們將一直在赫羅圖的最上方水平移動，氦融合開始后可能成為高光度藍變星，也可能成為沃爾夫-拉葉星。接著它們就以Ⅱ型或Ⅰb、Ⅰc型超新星爆發(fā)結(jié)束其短暫的生命。
太陽
大約在50億年后，太陽將成為紅巨星，經(jīng)過科學家們的計算，屆時太陽將變得異常巨大，內(nèi)側(cè)行星。然而，太陽的引力也會因為質(zhì)量的減少而減弱，因此火星和所有的外行星，都會往外移。在這時候水星，甚至連金星都會被太陽吞噬掉。地球的命運不是很清楚。要是沒有潮汐力的話，那地球的軌道就會往外逃到差不多1.3到1.7天文單位。但研究發(fā)現(xiàn)因為地球和太陽有潮汐力，地球還是會被太陽的外氣層吞噬掉?？墒窃诖酥?，當太陽的氫耗盡時，地球的生物圈將會被破壞，額外增加的太陽能也將造成地球海洋的蒸發(fā)。過30億年以后，地球的表面將變得如同金星一般高熱。再40億年以后，地球的空氣已經(jīng)往外太空逸散掉了，最后地球變成焦黑的行星。
天文發(fā)現(xiàn)
體積縮小
有研究發(fā)現(xiàn)，位于獵戶星座的紅巨星參宿四15年間體積竟縮小了15%，但天文學家無法解釋縮小之謎。參宿四是迄今（2012年）天文學家在宇宙中觀測到的十顆最明亮的恒星之一，它是天文學家熟悉的天文觀測目標，也是天文學家首次觀測到的超大質(zhì)量恒星，這顆紅巨星是哈勃望遠鏡可以觀測到的清晰圓盤狀恒星，這是哈勃望遠鏡能夠拍攝到表面狀態(tài)的第一顆恒星。
太陽演化
2012年8月，國際天文學家小組發(fā)現(xiàn)紅巨星將內(nèi)側(cè)軌道天體吞沒的證據(jù)，暗示50億年后的太陽也會將地球摧毀。大約在50到75億年后，足以吞噬掉（2012年）太陽系里，包括地球、火星以內(nèi)的內(nèi)側(cè)行星。最終水星，金星，火星甚至連地球都會被太陽吞噬掉。
CWLeo
CW Leo，它是一顆類太陽恒星，誕生時其質(zhì)量為太陽的4-7倍，但經(jīng)歷了極大的質(zhì)量流失后，它的質(zhì)量是太陽的1.2倍，距離地球僅490光年，是最鄰近地球的紅巨星之一。當前它正在膨脹向太空釋放質(zhì)量進入生命末期。恒星在膨脹過程中將輕微地向外散失灰塵，直到觀測到它以恒定流量釋放質(zhì)量，形成平滑的膨脹灰塵氣體層，看上去猶如一圈圈清晰的樹木年輪。
在過去十年里，天文學家所觀測到的CW Leo恒星是不同的。美國紐約大學的帕特里克-哈金斯(Patrick Huggins)說：“這是距離地球最近，持續(xù)噴射損耗質(zhì)量的恒星?！?/span>
哈金斯和法國蒙比利埃大學的尼古拉斯-莫隆(Nicolas Mauron)意外發(fā)現(xiàn)環(huán)繞CW Leo恒星的灰塵層形成一個花生外形，且?guī)в型S灰塵弧(局部球形殼體)向外膨脹，膨脹范圍距離恒星為地日距離的25000倍。依據(jù)這顆恒星的膨脹比率，可相應地追溯觀測到該恒星8000年前的歷史。
迪森稱，CW Leo恒星至少環(huán)繞著十幾個灰塵弧，它們的厚度和位置表明該恒星與鄰近灰塵弧外殼的距離發(fā)生著變化。那些巨大恒星并不是以恒定比率損失質(zhì)量，它們處于波動狀態(tài)。有時恒星損失質(zhì)量從極地周圍，有時從赤道周圍。
類似樹木年輪的灰塵弧可揭示其形成時間，恒星膨脹向外釋放的灰塵殼暗示該過程中形成灰塵弧。恒星噴射灰塵弧之間的間距大約相隔500-1700年。迪森稱，恒星表面的溫度變化可能使灰塵在較寒冷區(qū)域壓縮，然后再向外膨脹。
迪森認為應該是這樣的。她說：“在未來50億年里，太陽將膨脹成為一顆紅巨星，相應地也將出現(xiàn)類似壯觀的太空現(xiàn)象。令人遺憾的是，我們不可能測量分析太陽的年輪，在太陽演變?yōu)榧t巨星的過程中，地球?qū)⒈惶査淌?。?/span>
紅巨星死亡階段
據(jù)國外媒體報道，近日，由各國天文學家組成的科研團隊利用阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA）觀測到在距離地球3400光年外，一顆名為LL Pegasi的紅巨星及其伴星周圍氣體的螺旋形態(tài)。加州大學洛杉磯分校物理與天文學教授Mark Morris表示，我們觀測到的這一壯觀景象實為一顆垂死紅巨星的最后死亡階段，以風的形式釋放出大量氣體。在將觀測結(jié)果與計算機模擬相比較之后，天文學家們認為該系統(tǒng)周圍的氣體形態(tài)是由高度橢圓軌道造成的。
Morris表示，由于質(zhì)量大量流失的紅巨星的軌道運動，構(gòu)成風的冷分子氣體就像花園噴灑器噴射出的水流一樣從恒星上噴射而出。ALMA，這個功能強大的望遠鏡由包括美國在內(nèi)的諸多國家共同管理使用，能夠測量到極短波長的無線電輻射。
利用這個獨特的設備，科學家們得以創(chuàng)建出LL Pegasi噴射出的分子氣體的3D圖像，以及由伴星所引起的螺旋形態(tài)。該圖像體現(xiàn)了螺旋模式的許多完整演化過程，這為科學家們研究超過5000年的雙星系統(tǒng)提供了大量信息。Morris表示，這個罕見的系統(tǒng)為我們了解當恒星損失了大量質(zhì)量時，這樣的系統(tǒng)是如何演變的提供了新視角。
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