书城科普青少年应知的100个天文学常识
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第62章 红巨星和白矮星

 又大又亮的巨星和超巨星

由于极其明亮,巨星和超巨星在天空中非常引人注意,许多我们十分熟悉的恒星都属于这一类。但巨星和超巨星实际上很稀少,总数不到银河系全部恒星的1%。赫茨普龙把天空比喻为大海,海里有大量的鱼,但鲸却很少;主序星是鱼,巨星和超巨星则是鲸。

红色巨星和超巨星虽然比太阳明亮得多,其质量却不一定比太阳大,但它们已经进入了演化的更高阶段。巨星和超巨星是以主序星形态开始其生命历程的,但一颗单独的恒星如何从主序演化到巨星或超巨星阶段,则完全依赖于它的质量。诞生时具有0.5~8倍太阳质量的恒星,其演化都是相似的。这个质量范围包括了大多数B型主序星,所有白色A型、黄白色F型、黄色G型和橙色K型主序星,以及少量红矮星。太阳在这个质量范围内,所以它也遵循这一演化规则。作为一颗主序星的太阳,目前正在把它核心区的氢转化成氦。当核心区被氦充满,太阳将开始燃烧核心区周围一个壳层内的氢,这时,它不再是主序星,它将膨胀和变亮,先变成一颗介于主序星和巨星之间的所谓亚巨星,然后随着太阳进一步膨胀而冷却并且变亮,成为比它现在亮数百倍的红巨星。质量大于3倍左右太阳质量的恒星,在主序阶段是亮蓝B型星,膨胀和冷却时亮度增加不大,而是大致维持它们的高光度。这些星在赫罗图上向右移动,而太阳这样质量较小的恒星则移向右上方。因此,巨星群是一个伟大的平等之邦,因为各种质量的巨星在那里几乎同样明亮。

一颗恒星刚变为红巨星时,它只把壳层中的氢燃烧成氦,但核心区的氦最终也将点燃。氦燃烧变为碳和氧,所以碳和氧开始填充核心区。核心区的氦烧尽以后,恒星将动用围绕核心区的壳层内的氦。在这个阶段,恒星可能向空间抛出大量物质,直到甩掉氢和氦组成的外层大气为止。星体中心部分的小小碳氧核心区现在暴露出来,好像刚从茧壳中钻出来的蝴蝶。这个碳氧核的温度极高,甚至高过O型星,所以它是蓝色的,因而出现在赫罗图的左边。温度极高的星体产生大量紫外辐射,激励被抛出的大气自身发光而形成围绕恒星的行星状星云。

几万年的时间内,行星状星云逐渐消散,恒星热的内核依然留存。随着热的内核不断向外辐射能量,恒星不断冷却直至最后完全黯淡下去。相对于恒星数亿年的演化历程,巨星和超巨星阶段只是一瞬,但绝对是恒星一生中最灿烂最耀眼的一瞬,因为恒星正是从此开始走向死亡。

 白矮星

一旦一颗红色巨星形成了,使之生存的各种聚变能中的绝大部分也就消失了,而且自此以后,聚变能消失的速度还要加快,照此下去,最多几百年后,它也就不能继续抗衡万有引力的聚集作用了。

1844年,贝斯这位最先公布了一颗星体实际距离的天文学家,潜心研究了天狼星的运动。通常情况下,星体是沿着一条路径有规律地缓慢移动的。但天狼星不是这样,贝斯发现它的运动形式呈波浪状。贝斯认真思考了这种现象,最后得出结论,只有用一种我们知道的力量,才可能把它拉出原始运行的轨道,这种力量必然是另一星体的万有引力。假定天狼星不是单一的星体,而是一个“双星”,那么和天狼星一起在天空中运行的还有一个伴星。而且,在它们共同运行时,它们彼此间也绕着一个公共的中心运动。但只是这个中心穿越空间时画出了一条直线。天狼星有时在中心的这一侧,它的伴星在另一侧。由于环绕的运动,使它们经过一段时间后交换了位置。天狼星和它的伴星绕公共中心一周的时间是50年,天狼星的质量为它的伴星质量的2.5倍,天狼星本身的运动轨道是呈起伏状的。

随后,美国天文学家奥烈安考察一个新型望远镜的性能时,发现在天狼星的旁边有一丝很暗很暗的光点。起初,他以为望远镜上有裂缝,可是,进一步研究后,他认为看到了一颗暗星。事实上,他发现的这颗星是天狼星的黑色伴星,此星的亮度是7.1级。如果不用望远镜,它发出的光根本不能用肉眼看到,它的亮度只有天狼星亮度的1/8 000。但是,这颗星并不冰冷,也不黑暗,我们称它为“暗伴星”,更准确地说,应称为“天狼星B”,而天狼星本身称为“天狼星A”。现在让我们研究一下“天狼星B”。从它对“天狼星A”产生的作用力来看,它的质量一定与太阳相当,但它的亮度又只有太阳的1/130,或多一点。

1915年,阿达姆斯首先探测到了金星大气层中的二氧化碳。他费尽周折地得到了“天狼星B”的光谱,其结果令人吃惊,因为该结果表明“天狼星B”的表面温度为1万℃,这个温度与“天狼星A”表面的温度一样高,而且高于太阳的温度。这就是说:在单位面积上,由“天狼星B”表面放射出去的光比太阳表面放射出去的光多得多。那么,为什么“天狼星B”射出去的光亮比太阳少得多呢答案只有一个,就是天狼星的表面很小,即它是一个“矮星”,并且是一个非常小的矮星。于是,我们发现了一个“白热族”,由于非常小则称之为“白矮星”。白矮星从发现的第一天起,就吸引了很多人的注意力,因为它是那样的独特。迄今为止的天文观测表明,曾经是从前某个恒星核心部分的白矮星具有高得惊人的物质密度,平均说来,一颗白矮星拥有60%的太阳质量,但却压缩在一个几乎不比地球大的球体中,小小一汤匙白矮星物质就超过1吨。它们虽然名为白矮星,实际上可以有各种各样的颜色,因为它们随着年龄增大而冷却变红。这就是为什么它们构成一个平行于主序的恒星序列。那些最热、最亮、最蓝的白矮星,如天狼星B,是最近期成为白矮星的,而黄色或橙色的白矮星则已经在这个阶段度过了几十亿年。

一旦一颗白矮星形成后,它的能量消耗就将极其缓慢,以至于达到冷却状态要用相当长的时间。宇宙中大约有30亿个白矮星。因为过于昏暗,我们只能看到离我们较近的一些白矮星。