「天空中最亮的星」（下）

最新 07-12

天空中最亮的星

很久以前，出現了這樣一顆星——

它遊走於13星座之間，沒有一個星座能「俘獲」[0]住它，以至於一般星圖上都沒有它的蹤影；不管你在哪，只要是夜晚，它的高度角居然永遠保持負值！它的視星等可以達到約-26等，以至於沒有人敢直視它的光芒，甚至不敢把望遠鏡或照相機直接對準它！還記得青天會2016秋季招新的現場嗎？對，在百講架設的那個加了巴德膜的望遠鏡所要觀測的目標就是它。

它就是——（原諒小編詭異的畫風）

太陽

前情提要:「天空中最亮的星」（上）

1. 光譜是人們分析太陽以及遙遠恆星化學組成的利器。

2. 太陽的主要成分是氫元素和氦元素

3. 太陽發光的能量來源是核聚變

4. 太陽由內向外有核反應區、輻射區和對流區（界限並非十分嚴格）

5. 核反應產生的能量要經過十幾萬年才可以到達太陽表面

太陽大氣簡介

從上一節中我們知道，太陽光的光子產生之後，需要穿過層層阻攔，旅行十幾萬年，才能照向我們地球。那麼太陽的大氣層又有那些結構呢？

圖8 太陽黑子（圖片來源：SOHO, NASA）

太陽大氣層的最底部，是「米粒」和「黑子」們賴以存身的光球層。我們肉眼所見的陽光大都來自該層，我們前面提到的太陽表面溫度也是指該層的有效溫度。該層的厚度在幾十到幾百公里左右，物質密度約為海平面附近地球大氣密度的萬分之一。再往上，則是厚度約2000公里的色球層。該層自內向外密度遞減幾百萬倍，溫度卻不降反增，上層溫度可達20000攝氏度左右。所以，太陽大氣層的溫度最低處在光球層與色球層的分界區域。

圖9 太陽黑子（圖片來源：SOHO）

值得一提的是，更外層的日冕的範圍有時可以延伸到幾個甚至幾十個太陽半徑處（地球有時都會處在日冕之內呢，想想就激動~~），可以說十分巨大。高溫氣體還以太陽風的形式被帶離太陽（不多不多，每秒鐘也就大概200萬噸吧）——這正是彗星的彗尾永遠是背離太陽方向的成因[3]。

圖10 哈雷彗星的彗尾（圖片來源：BIOONNEWS）

色球層的反常高溫、黑子的穩定存在機制、太陽耀斑以及日冕的物質拋射等等問題可以說是撲朔迷離，限於篇幅，這裡不再詳述。

太陽的前世今生

我們了解了太陽的能量來源和它的大體結構，現在請隨筆者在時間軸上馳騁一番，來享受一下現實中不可能獲得的樂趣吧~

關於太陽的起源，目前一種主流看法是星雲說，即太陽和其他恆星都是由星際雲坍縮而成的。其中最有可能形成恆星的是分子雲（即氫元素以分子的形式存在）。根據物理學家金斯（James Jeans, 1877-1946）提出的理論計算表明，能發生坍縮所需要的分子雲總質量（稱為金斯質量）約為幾千個太陽質量（其他類型的星際雲所需要的總質量則更高）。但一團分子雲並不會形成幾千個恆星，這是因為隨著坍縮的進行，金斯質量降低，使得一部分分子雲發生獨立的坍縮，導致分子雲發生分裂。隨著坍縮進行，分子雲密度不斷升高，尺度不斷縮小。這時金斯質量約為太陽質量的幾分之一或幾倍之間，稱為原恆星雲。原恆星雲通常是扁平狀的，這是由於自轉的存在。原恆星雲繼續坍縮幾十萬年，最終氣體的壓強大到了足以和引力抗衡的地步。這時候它的中心部分被稱為原恆星。外圍的物質繼續向中心凝聚，稱為吸積盤。

圖11 吸積盤（圖片來源：百度百科）

太陽形成原恆星時的質量大約僅為現在的1%，其餘的99%都是吸積過程得來的。經過約幾十萬年的吸積過程，吸積盤上大部分物質已經被「吞」到了原恆星，原恆星的質量大大增加，稱為主序前星。主序前星繼續演化不到一億年，體積不斷縮小、密度和溫度不斷升高。到了後期，核心溫度極高，使得氫的核聚變被「點燃」，進入主序星階段。我們親愛的太陽已經在這一階段度過了約46億年的時間，並且仍將度過約40多億年的時間。

圖12 太陽演化過程1（圖片來源：《天體物理概論》，向守平，中國科技大學出版社）

在主序星階段，氫的儲量逐漸被消耗。長期消耗以後，核反應數量逐漸減小，輻射壓強逐漸降低，當它不足以和引力相抗衡的時候，太陽將再次發生坍縮，核心區以外的氫發生核聚變，稱為新的核反應區。這時產生的高溫高壓將使太陽劇烈地膨脹，太陽進入紅巨星階段。屆時，水星和金星恐怕難逃被太陽吞噬的命運。至於地球，似乎恰好踩在了生死線上——地球會不會被太陽吞噬，學術界尚無定論（太陽質量的減小可能使地球運動軌道半徑增大）。氫核聚變會轉變成氦，隨著坍縮繼續進行，氦含量越來越多、溫度越來越高。直至幾億年後，氦核聚變被點燃，還有氦核聚變產生的碳再聚變產生氧。這個過程幾乎可以瞬間傳遍整個核心，稱為「氦閃」。接下來便是氦燃燒階段，這一階段只能持續幾千萬年。

圖13 太陽演化過程2（圖片來源：《天體物理概論》，向守平，中國科技大學出版社）

這些過程中太陽拋射出來的物質將會形成美麗的行星狀星雲，這些物質或許又可以成為新的恆星的原料，或者行星乃至生命的原材料。而對於太陽來說，核聚變已經熄火，只有靠電子的簡併壓強（電子是費米子，遵循泡利不相容原理。打個比方說，電子的能量狀態是有限的，就好像有一個個房間，而它們就好像一個個性格孤僻的不願與人合租房間的人一樣，互相排斥）抗衡引力——這就是白矮星。白矮星的密度極大（大概20萬倍地球質量集中在和地球基本同等大小的區域內，「一勺」白矮星大概就有幾噸了），很高的溫度也將維持很長一段時間。然而白矮星已沒有新的能量來源，溫度將逐漸冷卻，光芒也會越來越暗淡。那時，我們便早已成了過往雲煙。

圖14 梅西耶天體中的4個行星狀星雲（圖片來源：孫博勛攝）

結語

寫到這裡，筆者忍不住要吟一首打油詩了~~~~（）

萬物出混沌，生命本凄涼。

度過輝煌時，臨終盡悲壯。

放眼於太陽系的尺度，貫穿太陽命運的始終，總讓人覺得氣勢恢宏，不覺驚嘆於我們的渺小和宇宙的瑰麗與壯美。然而當視野廣及宇宙之時，卻又發現我們賴以生存的太陽系也不過是繁星一點。作家嚴春友說：「在我看來，宇宙之所以創造智慧生物是為了進行自我認識，為了欣賞她自己壯麗無比的美。」誠然，我們只能通過遠方的光明，去把自然的奧秘窺探一二。那麼在美麗的燕園，何不與青天會一起，邂逅美麗的星空呢？