人類源流——恆星演化2

大質量恆星：在大質量的恆星，在電子簡併壓力能夠成為主流之前，核心已經大到能夠將由氫融合產生的氦引燃。因此當這些恆星在膨脹和冷卻時，它們的亮度不會比低質量的恆星大多少；但是它們會比低質量恆星開始時的階段亮許多，並且也會比低質量恆星形成的紅巨星明亮，因此這些恆星被稱為超巨星。

質量特別大的恆星（大約超過40倍太陽質量），會非常明亮和有著分長高速的恆星風。在它們膨脹成為紅巨星之前，因為強大的輻射壓力，傾向於先剝離外面的氣體殼層，因而它們的質量損失也非常快，這導致它們在主序帶的階段都維持著表面的高溫（藍白的顏色）。因為恆星的外殼會被極端強大的輻射壓剝離，因此恆星的質量不能超過120個太陽質量。雖然較低的質量可以使外殼被剝離的速度減緩，但如果它們是靠得夠近的聯星，當它膨脹而外殼被剝離時，會與伴星結合；或是因為它們的自轉夠快，對流作用將所有的物質帶至表層，造成徹底的混合，而沒有可以分離的核心和外殼，都能避免成為紅巨星或紅超巨星。

當從外殼的基部獲得氫並融合成氦時，核心也逐漸變得更熱和更密集。在大質量的恆星，電子簡併壓力不足以單獨的阻止重力崩潰，至於每一種在核心被消耗掉的元素，點燃更重的元素融合之火，也都能暫時的阻止重力崩潰。如果恆星的核心不是太重（質量大約低於1.4倍太陽質量，考慮到在這之前已經產生了許多質量的損耗），它也許可以如前所述的質量較低恆星，形成一顆白矮星（外面可能有行星狀星雲包圍著），不同的是這種白矮星主要是由氧、氖和鎂組成。

在有些質量之上（估計是2.5倍太陽質量，原始恆星的質量大約在10倍太陽質量以內），核心的溫度可以達到局部破壞的溫度（大約是1.1GK）開始形成氧和氦，而氦又會立刻和殘餘的氖融合成鎂；然後氧融合形成硫、硅和少量的其它元素。最後，溫度達到任何一種元素都會被局部毀壞的高溫程度，通常都會釋放出α粒子（氦核），又立刻和其它原子核融合，所以有少數的原子核經過整理之後會成為更重的原子核，而釋放出來的凈能量是增加的，因為打破母原子核所釋放出來的能量大於融合成子原子核所需要的能量。

核心質量太大不能形成白矮星，又未能達到足以承受氖轉換成氧與鎂的恆星，在融合成更重的元素之前，就將經歷重力崩潰的過程（因為電子捕獲）。無論電子捕獲造成溫度增加或降低，都會在重力崩潰之前構成比原來小的原子核（像是鋁和鈉），可以在重力崩潰之前對總能量的產生造成重大的衝擊。這也許對之後產生引人注目的超新星爆炸與拋出的元素和同位素丰度都有影響。

一旦恆星核合成的過程產生鐵-56，接下來的過程都將消耗能量（將碎片結合成原子核所釋放出來的能量小於將母原子核擊碎所需要的能量）。如果核心的質量大於錢德拉塞卡極限，電子簡併壓力將不足以支撐與對抗因為質量所產生的重力，核心將突然的產生崩潰，災難性的崩潰將形成中子星或黑洞（在核心的質量超過托爾曼-歐本海默-瓦可夫極限的情況下）。雖然還未完全了解過程，某些重力位能的轉換使這些核心崩潰並被轉換成Ib、Ic或II型超新星。只知道在核心崩潰時，就像在超新星1987 A所觀測到的，會產生巨大的微中子浪涌。極端高能量的微中子會破壞一些原子核，它們的一些能量會消耗在釋出核子，包括中子，還有一些能量會轉換成熱能和動能，因而造成衝擊波與一些來自核心崩潰的物質匯合造成反彈。在非常緻密的匯合物質中發生的電子捕獲產生了額外的中子，有些反彈的物質受到中子的轟擊，又誘發了一些核子捕獲，創造出一系列，包括放射性物質鈾在內，比鐵重的元素。雖然，非爆炸性的紅巨星在早期的反應和次反應中釋放出的中子也能創造出一定數量比鐵重的元素，但在這種反應下產生比鐵重的元素丰度（特別是，有些穩定和長壽的同位素與一些同位素）與超新星爆炸有著顯著的不同。我們發現太陽系的重元素丰度與這兩者都不一樣，因此無論是超新星或紅巨星都無法單獨的用來解釋被觀察到的重元素和同位素的丰度。

從核心崩潰轉移到反彈物質的能量不僅產生了重元素，還提供了它們加速和脫離所需要的逃逸速度（這種機制還沒有被充分的了解），因而導致Ib、Ic或II型超新星的生成。目前對這些能量轉移過程的了解仍不能令人滿意，雖然目前的計算機模擬能對Ib、Ic或II型超新星的能量轉移提供部分的解釋，但仍不足以解釋觀測到的物質拋射所攜帶的能量。從分析中子星聯星（需要兩次相似的超新星）的軌道參數和質量獲得的一些證據顯示氧氖鎂核心崩潰所產生的超新星可能與觀測到由鐵核崩潰的超新星有所不同（除了大小之外還有其它的不同）。

質量最大的恆星也許在超新星爆炸中因為能量超過它的重力束縛能而完全的被毀滅。這種罕見的事件，導致成對不穩定，事後的殘骸連黑洞都不是。

四、恆星殘骸

恆星在耗盡了它的燃料之後，依據它在生命期間的質量，如果不計算假設中的奇異星，它的殘骸會是下面三種型態之一。

1.白矮星：太陽質量的恆星，演化成白矮星之後的質量大約是0.6太陽質量，被壓縮的體積則近似地球的大小。白矮星是非常穩定的天體，因為它向內的重力是與核心的電子產生的電子簡併壓力（這是包立不兼容原理導致的結果）達到平衡。電子簡併壓力提供了一個相當寬鬆的極限來抵抗重力進一步的壓縮；因此，針對不同的化學元素，白矮星的質量越大，體積反而越小。在沒有燃料可以繼續燃燒的情況下，恆星殘餘的熱量仍可以繼續向外輻射數十億年。

白矮星的化學成分取決於它的質量。只有幾個太陽質量的恆星，可以進行碳融合產生鎂、氖和少量其它的元素，造成一顆主要成分是氧、氖和鎂的白矮星。在拋棄掉足夠質量的條件下，使它的質量不至於超過錢德拉塞卡極限；並且在碳燃燒不夠猛烈的條件下，使他免於成為一顆超新星。質量的數量級與太陽相同的恆星無法點燃碳融合的核反應，所產生的白矮星主要成分是碳和氧，而且質量太低，不足以產生重力崩潰，除非在後期能夠增加質量。質量低於0.5太陽質量的恆星，連氦燃燒都無法引燃，因此壓縮後成為白矮星之後的主要成分是氦。

在最後，所有的白矮星都將變成冰冷黑暗的天體，有些人就稱它們為黑矮星。但是目前的宇宙還不夠老，還不足以產生像黑矮星這樣的天體。

如果白矮星的質量能增加至超越錢德拉塞卡極限－對主要成分是碳、氧、氖、和/或鎂的白矮星，是1.4太陽質量，電子簡併壓力將無法抵抗重力，將會因為電子捕獲導致恆星塌縮。取決於化學成分和塌縮前的核心溫度，核心可能會塌縮成為一顆中子星，或是因為引燃碳和氧的燃燒而失控。質量越重的元素越傾向於恆星塌縮，因為需要較高的溫度才能重新點燃核心的燃料，也因此能使核子減輕的電子捕獲過程能使核反應較容易進行；然而，越高的核心溫度越容易造成恆星核反應的失控，這會導致恆星塌縮成為Ia超新星。即使大質量恆星死亡產生的II型超新星釋放出的總能量更多，這種超新星會比II型超新星還要明亮數倍。這種會導致塌縮的不穩定性使得超過甚至接近1.4太陽質量的白矮星不可能存在（唯一可能的例外是超高速自轉的白矮星，因為離心力的作用抵銷了質量上的問題）。聯星之間的質量轉移可能會造成白矮星的質量接近錢德拉塞卡極限，因而造成不穩定的狀況。

如果在密近雙星系統中有一顆白矮星和一顆普通的恆星，來自較大伴星的氫會在白矮星周圍形成吸積盤，並使得白矮星的質量增加，直到白矮星的溫度增加引發失控的核反應。在白矮星的質量尚未達到錢德拉塞卡極限之前，這種爆發只會形成新星。

2.中子星：當恆星的核心崩潰時，壓力造成電子捕獲，因而使得大多數氫都轉變成為中子。原本使原子核分離的電磁力消失之後（在比例上，如果原子核的大小如同塵埃，原子的大小就如同一個600英呎長的足球場），恆星的核心就成為只有中子的緻密球體(就像是個巨大的原子核)，在外面有幾層由簡併物質（主要是鐵的薄層和後續的反應產生的物質）組成的外殼。中子也遵循包立不兼容原理，使用類似電子簡併壓力但更強的力來抵抗重力的壓縮。

像這種被稱為中子星的恆星，是非常小的，直徑的數量級只有10公里，尺寸不會超過一個大城市的大小並且有折極高的密度。它們的自轉周期由於恆星的收縮而戲劇性的縮得很短（因為角動量守恆），有些高達每秒600轉。隨著這些恆星的高速自轉，每當恆星的磁極朝向地球時，地球就會接到一次脈衝的輻射。像這樣的中子星被稱為波煞，第一顆被發現的中子星就是這種型態的。

3.黑洞：如果恆星的殘骸有足夠大的質量，中子簡併壓力將不足以阻擋恆星塌縮至史瓦西半徑之下時，這個恆星的殘骸就會成為黑洞。現在還不知道需要要多大的質量才會發生這種情況，而目前的估計是在2至3太陽質量。

黑洞是廣義相對論所預測的天體，而在天文學上的觀測和理論也都支持黑洞的存在。依據廣義相對論傳統的說法，沒有物質或訊息能夠從黑洞的內部傳遞給在外部的觀測者，雖然量子效應允許這種嚴謹的規律產生誤差。

雖然恆星經由塌縮產生超新星的機制還未被充分的了解，也不知道不經過可見的超新星爆炸，恆星是否能夠直接塌縮形成黑洞；還是超新星爆炸之後要先形成中子星，然後再繼續塌縮成為黑洞；從最初的恆星質量到最後的殘骸質量之間的關聯性也不完全的可靠。要解決這些不確定的問題，還需要分析更多的超新星和超新星殘骸。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！