恆星的命運誰主宰？
恆星的大小為什麼是有限度的?恆星為何小個子更長壽?恆星的暮年為何那麼輝煌?
形形色色的大千世界，其實就是大自然靠幾條簡單的規律製造出來的，那些千差萬別的恆星們，它們的命運是由什麼決定的呢?
恆星的光和熱
從哪裡來?
首先要弄清楚，為什麼恆星能持續不斷地發光放熱呢?
原來恆星的光和熱一般來自它們內部的氫核聚變反應。所謂氫核聚變反應就是氫和氫的原子核結合在一起，形成氦並釋放出大量的能量。而我們知道，一般原子核由質子和中子組成，質子帶正電，中子不帶電，可以削弱質子相互間的靜電排斥力。但是氫原子核中只有一個質子，沒有中子，兩個氫原子核怎麼能結合到一塊?正因如此，地球上要進行氫核聚變反應，必須通過複雜過程提取到氫的有中子的兩個同位素哥哥——氘和氚，它們的原子核才能結合在一起生成氦。
然而恆星中只有不含中子的氫，到哪兒找氘和氚去呢?不要著急，宇宙已為恆星準備了一個不需要氘和氚的氫核聚變過程。當恆星中心溫度達到400萬攝氏度以上時，因為太熱，氫的電子早跑掉了，氫就成了孤家寡人，這時說它是氫元素也罷，氫原子核也罷，質子也罷，都是一回事——一個由單個質子組成原子核的氫。所以這時的恆星中心實際上就是一個個的質子在滿天飛，活躍得就像遊樂場里瘋狂開著的碰碰車一樣，互相碰撞。偶爾有兩個質子相互碰撞得太厲害了，把其中一個質子的正電子給撞飛了，變成了不帶電的中子，這樣就可以與質子組成氫的同位素哥哥——氘的原子核，這個過程用專業術語來說，叫「正β衰變」。以前地球上有β衰變，簡單說，就是中子放出一個負電子變成質子的過程。而正β衰變剛好相反，它是質子放出一個正電子變成中子的過程。這種在地球上幾乎沒有見過的正β衰變，其實在恆星中是時時刻刻都在進行著的。
有了氘就好辦了，之後氘會很快與氫結合，生成含有兩個質子一個中子的氦3原子核，但氦3不穩定，兩個氦3原子核會相互結合成氦4，並釋放出兩個質子。於是通過這個過程，恆星內的氫就成功聚變成氦，並釋放出大量的能量。這個過程稱「質子-質子鏈反應」，簡稱PP反應。
由於兩個質子在恆星中相互碰撞結合的幾率極小，只有十億分之一，就是說，在10億對質子中，只有1對會碰撞並相互結合。所以這就卡住了核反應的速度，使恆星的能量能夠持續穩定地釋放，而不是突然的爆髮式釋放。像太陽這樣的恆星就有約1056對氫離子，這其中只有十億分之一的氫參與反應，那麼，太陽的氫就可以夠太陽持續燃燒至少100億年。
由此看來，之所以稱為恆星，星體必須有PP反應才行。
恆星的催老素
是上述的核反應讓恆星放光放熱，再大的恆星，含有的燃料終有燃燒殆盡的時候，因此恆星們也有「死亡」的那一天。讓科學家驚訝的是，恆星們的壽命長短竟然有很大的差別：有的能「活」千億歲，自宇宙誕生至今，它還處於幼兒時期;有的則只能「活」幾百萬年，所以現在宇宙中已經到處充滿了一些恆星的屍骨——中子星和黑洞。這種壽命長短的對比就像有的活100歲，有的卻活不到1小時!更讓科學家感到奇怪的是，長壽恆星都是小個子恆星，恆星體重越小越長壽，體重越大越短命。這是為什麼?不是質量越大的恆星含有的燃料越多嗎?
原因在於，上述質子變氦核的過程中，溫度是個主要條件，小個恆星只有最中心的部分才夠熱，像太陽，差不多是1/10的地方存在核反應，更小的恆星則可能只有1/100的地方才能達到足夠的溫度，這就讓恆星放慢了燃料消耗的速度，從而延長了自己的壽命，所以恆星個子越小，參與反應的燃料所佔的比例越小，恆星反而更長壽，只是它放出的光和熱較少。
而大個恆星不僅夠溫度的氫較多，關鍵是內部的高溫還引發了一種類似被催化劑催化了的核反應!大大加快了燃料消耗的速度。
核反應也有催化劑?很有意思!那麼誰是催化劑呢?
恆星從星雲襁褓中「誕生」後，構成它的物質中，超過99.9%的元素是氫，但也有極少量其它元素，例如也會含有極少量的碳。前面說過，質子與質子相撞生成氦的幾率很小，因此反應速度並不快。但是當恆星的質量較大，中心的溫度更高，達到1300萬攝氏度以上時，碳就會與質子結合，並進行正β衰變，這個過程不斷重複，會生成氧15，再變成氮15，氮15繼續與質子結合，就又變回碳，並放出氦。這個過程中，碳並沒有消耗，它只是起到了類似媒人的作用，讓4個質子結合起來，變成了氦，因此，碳催化了質子變氦核的聚變反應。這個過程中有氮和氧等中間產物生成，因此又叫碳氮氧循環，簡稱CNO循環。
有了碳的催化，宇宙那十億分之一的速度關卡也就失效了，氫核聚變的反應速度大大提高，迅速把恆星中的氫變成氦，釋放出大量的光和熱。即使恆星內部只有極少量的碳，一旦這個催化反應被點燃，恆星的壽命也就會快速縮短。這就是為什麼大質量恆星的壽命會出乎意料地短暫，原來碳是它們的催老素!
恆星末年的輝煌
不管恆星衰老的速度快還是慢，有沒有碳作為催老素，恆星的壽終正寢都需要另一個反應前來「索命」。
一般情況下，恆星里的氫變成氦之後，氦就不會繼續反應了，但在高溫下氦能與氦反應，生成的是鈹8，鈹8是極不穩定的，生成之後馬上又分解成了氦，因此宇宙相當於又用氦卡住了核反應的「脖子」，讓恆星不至於放出太多的能量。
但是當恆星核心的氫燃燒得所剩不多的時候，靠氫核反應釋放的能量不足以對抗恆星自身的引力，恆星內部就會急速塌縮，塌縮導致溫度急劇升高，達到上億攝氏度時，鈹8生成的速度太快了，超過了其分解的速度，於是恆星中心就會有少量鈹8存在，鈹8隻要能存在，就會快速吸收一個氦，生成穩定的碳，從而釋放出巨大的能量，這個過程是3個氦，也就是3個α粒子參與的反應，因此又叫3α反應。
這個反應使恆星內部溫度繼續升高，又會點燃更多的氦生成碳，釋放更多的能量。同時恆星外層的氫也因高溫啟動了碳催化的CNO循環反應，這樣，瞬間就有異常巨大的能量釋放，這巨大的能量會導致太陽質量以下的恆星急劇膨脹，體積增大上億倍，形成壯觀的紅巨星。而較大的恆星則會突然超新星爆發，拋出大量的物質。外層物質拋出後，中心的殘骸最終的命運，或者變成白矮星，或者變成中子星，或者變成黑洞，變成什麼與殘骸質量大小有關。經歷了暮年的輝煌之後，恆星就這樣快速地死亡了。
恆星的體重和體積
恆星雖然死亡了，關於恆星一生的經歷，我們還可以品評一下。在恆星的一生中，除了恆星的體重變化不大之外，恆星放出的光和熱，恆星的體積和密度都在不斷變化著。
關於恆星的體重，其實是有個限度的，恆星的質量不能無限大，也不能無限小，其中起決定作用的就是PP反應所要求的高溫。像木星等氣體星球的成分與太陽的成分很相似，但為什麼木星不能像恆星那樣燃燒?原因就是木星的個頭太小，體重不夠。因為體重不夠的話，引力就小，難以收縮達到足夠的高溫，也就難以產生PP反應，所以難以成為恆星。就像煤場的煤堆得足夠高時，裡面才會發生自燃一樣，一小堆煤放一百年也不會自燃。通過計算，科學家發現只有體重達到太陽質量的0.08以上時，上述的核反應才能點燃，這就決定了恆星的體重至少是0.08個太陽質量。
同樣，恆星也不能無限大。科學家目前認為，恆星的體重不能超過太陽質量的3000倍，否則它就無法存在。
為什麼呢?如果恆星太大了，假設超過了3000個太陽質量，其自身重力導致的內部急劇收縮，會使恆星內部的溫度達到1億攝氏度以上，這時3α反應就會啟動，使得恆星中心短時間內釋放出巨大的能量，這會導致它急劇膨脹或爆炸，恆星因此也就分解了，很可能分解為很多小恆星。由此看來，超過3000太陽質量的恆星是無法穩定存在的，這就決定了恆星的質量上限不能超過3000個太陽質量。
恆星的體重相互之間相差雖然不是很大，也就幾萬倍。但是恆星的體積卻可以相差十億倍之多。不同年齡段，不同質量的恆星，其內部進行的核反應的種類和劇烈程度就會不同，釋放的能量也會不同。引力讓恆星具有收縮的趨勢，而能量的釋放則讓恆星有膨脹的趨勢，恆星體積的大小就是這兩種力量相互對抗、達到平衡後的結果。如此，一顆恆星的體積和密度也就會隨著年齡大小和放熱多少而不斷發生變化。
從上面的情況可以看出，恆星放出的光和熱，恆星壽命的長短，恆星體積和密度的大小都是上述三個反應作用的結果。宇宙就是這樣用三個核反應決定了所有恆星一生的命運。
TAG:大科技雜誌社 |