【恆星誕生的觀測證據】

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【恆星誕生的觀測證據】

 

恆星誕生的觀測證據：

 

繭狀物(cocoon)

 

是一種紅外線光源。

年輕的胎星通常是看不見的，都被一層稱為 繭狀物的雲氣與 星際塵埃所包圍著，而此繭狀雲氣受到胎星的加熱會放出紅 外線。

 

最終當胎星的溫度夠熱，則繭狀物將被吹走。M16的恆星誕生區、 M42的恆星誕生區。

金牛座T 型星(T Tauri Stars)

以第一顆被發現金牛座變星T 命名，最初以為是年輕的變星，現在一般相信這類型星，是原恆星演化的最後階段，正在清除它們的繭狀物。

 

例如NGC 2264 中有許多低質量的T型星，實測的數據 顯示星團中，大質量的恆星己在主序星階段，而低質量恆星仍在T 型星階段。

 

這個星團的年齡約僅有數百萬年，因為同星團內的恆星是由同團雲氣中產生，所以它們起步的時間相同，但恆星進人主序帶所需要的時間與其質量有關 ，一般質量愈大的星，愈快進入主序帶，實測的結果與理論相合。

 

雙極流(bipolar flow)

當氣體掉入恆星的吸積盤面時，會拉曳著磁場，進而在旋轉軸的兩端產生噴流，而噴流與周圍雲氣相撞，產生光度閃爍不定的Herbig-Haro 星體。

 

由哈伯太空望遠鏡的觀測發現，在獵戶座大星雲中的七百多顆新恆星，近半數有吸積盤 的存在。

 

現在的一般的臆測是，這些吸積盤假以時日，有可能會形成行星。

 

如果這種說法是正確的，行星在宇宙中，可能到處皆是。

 

由最近一系列的觀測發現，如吸積盤、外太陽系行星 與火星微生物 等，使我們對外太陽系智慧生物，存在與否的問題有了無窮的想像空間。

 

Herbig-Haro 星體

原恆星演化過程所產生的雙極流，高速衝入周圍的雲氣，並激發雲氣中的物質放出電磁輻射，成為為亮度不規則變化的小星雲。

 

這類光度閃爍不定的小星雲，常稱為Herbig-Haro 星體(H-H objects)，所發出的輻射大都在可見光、紅外線與無線電波段。

 

 

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獵戶座大星雲中的原恆星與繭狀物

 

 

天鷹星雲(M16)

 

 

 

天鷹星雲的"星蛋"

 

 

 

M42(NGC1976)獵戶座大星雲

 

 

NGC 2261 的T型星(T Tauri stars)
 

 

最上圖是攝於1980 年的NGC 2261 ，扇形雲氣的頂端就是一顆T型星。

 

下圖是同顆星的光度在1960 年代，三年之間的光度變化。這顆T型星在變亮後，其光度己不再變化，是否己進入主序星階段？

 

天文學上，同類星體的命名，常是用第一次發現時的星來命，金牛座T 型星就是很典型的例子。

 

金牛座T 型星是指非常年輕的變星，嚴格來說，它們是濱臨主序星階段的原恆星，並非是真正的恆星。

 

NGC 2264 (麒麟座)

 

  

NGC 2264 星團的演化圖

 

 

進人主序帶所需的時間與其質量的關聯

 

 

獵戶座大星雲的原恆星與其吸積盤

 

新發現的外太陽系行星

 

 

新發現的外太陽系行星，其軌道半徑皆在2 AU之內，質量一般為本太陽系的最大行星–木星之數倍。

 

70 Virginis(室女座)與47 Ursae Majoris(大熊座)的行星組成與木星相似，「天氣」據推測也與木星一樣相當惡劣，不過天文學家相信，在這兩行星的大氣層之內，有部份區域的溫度，可能低到可容許水以液態的形式存在。

 

Michel Mayor與Didier Queloz認為，他們的51 Pegasi(飛馬座)數據顯示另有一顆更外圍的行星存在，後來經美國舊金山州立大學的Geoffry Marcy與Paul Butler進一步分析，證實為誤判，故51 Pegasi星的己發現的行星數目應該是一顆。

 
火星生命？
 

 

美國太空總署的研究群，對火星隕石所拍的電子顯微鏡照片。

 

圖中心蚯蚓狀的突起物的寬度約是人髮的百分之一，而學者相信它是火星微生物的化石。 

 

Herbig-Haro 星體(H-H objects)

 

 

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【星光的來源】

 

恆星的能源

太空中的雲氣經由重力塌縮，將重力位能轉變成動能， 動能的增加使得雲氣的溫度昇高。

 

當溫度昇高到107 K時， 便使得雲氣中的氫開始產生核融合，釋放出能量。

 

氫核融合過程有二種：

 

質子－質子鏈(p-p chain)

碳氮氧循環(CNO cycle)

兩種核融合過程都是將四個氫核融合成一個氦，並釋放出能量。

 

主序星用那一種氫融合過程產生能量，和它的核心的溫度有密切的關聯。據 太陽標準模型 ，太陽核心的溫度約為一千五百萬度，理論計算顯示，太陽高於百分之九十的能量可能是經由質子－質子鏈產生，而少於百分之十是來自碳氮氧循環(參見質子－質子鏈與碳氮氧循環與溫度的關係圖)。

 

但大質量恆星，能量產生的途徑是以碳氮氧循環為主。

 

不管恆星循何種路徑來產生能量，四個氫的質量總和大於一個氦，也就是說，四個氫核融合成一個氦，會損失了部份的質量。

 

如果我們用Δm 來代表所損失的能量，由愛因斯坦的質能公式(mass-energy relation)告訴我們

 

ΔE = Δm C2

也就是〝損失的質量轉變成能量的釋出〞。

 

例：一公克的氫經由核融合大約可產生多大的能量?

 

我們知道在一次的氫融合中會消耗4個氫核(m4H ＝6.693*10-27 kg)

產生1個氦核(mHe＝6.645*10-27 kg)

也就是在氫融合的過程中質量減少

 

Δm = 0.048*10-27 kg，所以一次的氫融合所釋出的能量

 

ΔE ＝Δm C2　= (0.048*10-27 kg)*(3*108 m/sec)2 ＝0.43*10-11 J ＝1*10-12 cal　

 

一公克的氫約有6*1023個氫核，每一次氫核融合用掉4個氫核產生1*10-12 cal的能量，所以1公克的氫在核融合過程中可產生 (6.02*1023/4)(1*10-12 = 1.5 * 1011 cal

 

每一公克的水從0℃增高到100℃的沸水需要100 cal， 所以1公克的氫在核融合的過程中所產生的能量可將1500公噸的水煮沸！

 

恆星內部能量的傳輸

恆星內部所產生的能量如何傳到表面？

 

以我們的太陽為例，百分之九十九的能量在核心 產生，而且所產生的能量，大部份以高能珈瑪射線(註：電磁輻射常又稱為光子) 與微中子釋出。

 

微中子極少與物質發生作用，立即飛離太陽。

 

太陽內部的物質密度很高，光子平均每走1公分就與物質粒子碰撞一次。

 

由核心以"光"的形式向外傳遞的能量，大約需經過一百萬年的掙扎與反覆的改頭換面，才能扺達太陽表面。

 

 

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核熔合：質子–質子鏈(proton-proton chain)

 

 

氫融合：碳氮氧循環(CNO cycle)

氫融合：碳氮氧循環(CNO cycle)

 

 

標準太陽模型

 

 

 

為探知遙遠恆星與不可見的太陽內部結構，天文學家訴諸理論模型的模擬與計算。

 

廣為天文學家所信賴的太陽理論模型，常又被稱為標準太陽模型。

 

太陽模型不僅正確預測太陽的發光能力、表面溫度，並對太陽內部可能的光度、質量、溫度與密度分佈，提供相當可信的圖像。

 

據標準太陽模型，太陽核心的溫度約為一千五百萬度，核心物質密度約為150,000 kg/m3，而核心壓力約為地球海平面大氣壓的三千四百億倍。

 

 

質子－質子鏈、碳氮氧循環與核心溫度的關係

 

 

如果原恆星的質量大於0.1 個太陽質量，重力塌縮的過程中，核心的溫度將逐漸昇高，當溫度高於4* 106 度時，核心的氫開始發生融合，恆星就誕生了。

 

氫融合可以依循二個不同的路徑：質子－質子鏈(p-p chain) 與碳氮氧循環(CNO cycle)，在大多數的恆星的中心，這兩種氫融合過程皆可能，只是比例不同而己。

 

碳氮氧循環中，參與反應的粒子必須克服的庫侖障壁，比在質子－質子鏈高。所以唯有在大質量恆星的高溫核心，碳氮氧循環進行的可能性也較高。

 

依原核子物理的計算，對質子－質子鏈，單位質量所產生的功率與溫度的四次方成正比。

 

而碳氮氧循環，單位質量所產生的功率與溫度的十八次方成正比。

 

恆星內部能量的傳輸

 

 

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【恆星是如何維持穩定?】

 

恆星的穩定是依賴流體靜態平衡(Hydrostatic Equilibrium) —重力壓與輻射壓在星球的內部是保持平衡的，來維持穩定。

 

從流體靜態平衡，我們可暸解星球的內部，因不同的深度有不同的重力，所以在星球的內部不同的深度必需有不同的溫度，才能產生相對應的輻射壓與重力相抗衡。

 

 

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恆星內部平衡的因素

 

 

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【恆星的理論模型與恆星內部的結構】

 

恆星的理論模型

利用電腦對恆星作模擬 ，來計算與推測恆星的內部物質分佈、溫度分佈、光度分佈、能量向外傳輸方式…，所得到的恆星理論模型。

 

恆星理論計算把恆星分成許多具有相同厚度的同心球穀，並以四個基本假設為計算的基礎：

 

流體靜態平衡

星球內部每一層所受的重力壓與輻射壓都會達成平衡。

能量傳遞的方式

能量由高溫區傳蝸低溫區，是以輻射，對流或傳導等三種方式進行。

物質連續性

恆星的質量是所有球穀質量的總和。

能量連續性

任一個球穀上方的能量，等於由絿穀下方傳來的能量 ，加上在這一球穀所產生的能量，此恆星所輻射的能 量為每一殼層所產生能量的總和。

恆星模型的預測，須與實際的觀測相吻合，否則必須調整恆星模型的參數，再進行計算與預測並與實驗數據比較。

 

恆星的理論模型告訴我們主序星的質量不能小於0.08 太陽質量，也不能大於100 太陽質量。

 

因為小於0.08 太陽質量的星體，無法產生氫核融合，也就是無法形成主序星，這類"死胎的恆星" 稱為棕矮星(brown dwarf) ；大於100 太陽質量的星體，核融合反應非常激烈，會造成星體不穩定，而分裂成數個質量較小的恆星。

 

現在的天文觀測的證據顯示，恆星的質量大致在十分之一至數十個太陽質量之間。

 

恆星的內部結構

我們利用可觀測量，如光度、大小、表面溫度…，來對描述恆星。

 

但恆星的內部結構 ，則須靠理論模型來推測。

 

一般而言，恆星的內部可分成核心、對流層與輻射層等三部份。

 

據理論模型，恆星的內部結構與其內部的溫度有關。

 

而恆星的溫度又取決於其質量，所以恆星的內部結構與其質量有關。

 

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電腦與恆星模型

 

 

棕矮星：Gl229B

 

 

恆星理論模型預測了棕矮星的存在，但是棕矮星的表面溫度不高，發出的電磁能量表要在紅外線波段，也發出少量緊臨紅外光區的遠紅光(far red light)。

 

除此之外，棕矮星的體積很小，所以它的光度(luminosity) 很小，偵測也非常困難。

 

1994年，天文學家利用美國加州Polomar 山的60 寸反射式望遠鏡，再加近代的觀測技術主動光學(adaptive optics)，在遠紅光波段找到了第一顆棕矮星Gl229B (左圖)。

 

Gl229B 是紅矮星(red dwarf, 定義：小質量M 型恆星) Gl229A 的伴星，Gl229B 的質量約是木星質量的二十至五十倍，與主星的距離與太陽–冥王星間的距離相當，1995年11 月的哈伯太空望遠鏡照片(右圖)，進一步證實Gl229B 的發現。

 

註：Gl229A 在天免座(Lepus)，距地球18 光年：

 

恆星的內部結構
 

 

恆星內部的能量傳遞，主要是靠著輻射與對流兩種形式來傳遞熱能。

 

除了核心之外恆星內部主部主要可分：輻射層與對流層兩大部份。

 

然而，由於不同質量的恆星產生能量的機制與效率並不相同，需要不同的能量傳遞形式來輸送能量。

 

據恆星模型，恆星依內部結構可以歸成三大群：

 

M恆星 > 1.1 M太陽

內部結構結構由內到外是：核心、對流層、輻射層。

 

大質量恆星，為了對抗強大的重力壓，中心的溫度必然也很高。

 

所以在這類恆星中，碳氮氧循環對能量的產生，有相當大比例的貢獻。

 

因為碳氮氧循環對溫度非常敏感，少量的溫度上昇，能導至大量能量的產生。

 

例如：溫度昇高10%，碳氮氧循環所產生的能量會增加350% 。

 

而一個10M太陽 的主序星50 % 的能量，是在佔2% 的核心區域產生。

 

產生能量的區域範圍很小而溫度又極高，為了保持恆星的靜態平衡，靠近核心的區域，不能是傳能效率較低的輻射層，而需要傳能效率較高的對流層。

 

核心產生的大量能量傳至恆星外層，使恆星表面的溫度和對流層頂端的溫差不大，對流傳能的效率低於輻射傳能，在此區域是以輻射來傳導能量。

　

1.1 M太陽 > M恆星 > 0.4 M太陽

內部結構結構由內到外是：核心、輻射層、對流層。

 

對質量介於0.4 至1.1 個太陽質量的恆星，核心溫度不夠高，質子－質子鏈是主要的產能機制，而且氫融合的區域，較為寬廣，核心的外圍有相當大的區域溫度變化不大，輻射是較有效率的的能量傳遞，所以核心外面是輻射層。

 

就是因為核心產能的速率不夠高，恆星表面的溫度也較低，靠近表面的區域較不透明，能量不易以輻射的方式傳遞。

 

此時表面與輻射層的頂端的溫差很大，造成物質的對流，而能量也以對流的方式傳輸。

　

M恆星 < 0.4 M太陽

內部結構結構由內到外是：核心、對流層，完全沒有輻射層。

 

核心產生能量的速率較忯，表面溫度也低，物質不透明，不容易以輻射的方式傳遞。

核心與表面的溫度差、迫物質產生對流，能量也也對流的方式傳導。