雖然是一顆星體,像太陽一樣,在它的一生中也會有很大的變化。這么,應當如何解釋我們昨天見到差別巨大的星體大小呢?
假如你將月球與太陽進行比較,你會發覺,你必須將109個月球的底部疊加在一起,能夠從太陽的一端到另一端。但是,有的星體比月球小得多。而有的比月球繞太陽的軌道還要大得多!這是如何可能的,又是哪些決定了星體的大小?
為何星體會成長為……許多不同的規格?也就是說,從比土星略大的行星到太陽超過土星的軌道?
這是一個比你想像的更棘手的問題,由于在很大程度上,我們看不到一個星體的大小。
在夜空中,一個深沉的、望遠鏡的圖象清晰地顯示出不同顏色和照度的星體,但這兒所顯示的所有星體都只顯示出點。因為觀測攝像機的飽和,規格上的差別是視錯覺。
雖然是通過望遠鏡,大多數的星星也由于它們與我們驚人的距離而變得很簡單。它們在顏色和色溫上的差別是很容易看見的,并且大小是完全不同的。一個特定大小的物體,一個特定的距離,將會有一個被稱為角半徑的東西:它在天空中呈現的顯著的大小。最接近太陽的星體,半人馬座阿爾法星,距離太陽只有4.3光年,實際上比太陽直徑大22%。
這兩顆類似太陽的星體,半人馬座A和B,距離我們只有4.37光年,在我們太陽系的木星和海王星之間的軌道上運行。但是,雖然在這幅哈勃圖象中,它們也僅僅是超飽和點源;表面是看不到的。
但是,在我們看來,它的角半徑僅為0.007弧秒,它須要60弧秒就能制造一個弧分鐘,60弧分鐘就能獲得1度,而360度則可以產生一個完整的圓。雖然是像哈勃望遠鏡這樣的望遠鏡也只能解決大概0.05個問題。在宇宙中,只有極少的星體才能真正地解決這個問題。這種星體常常是緊靠星體的巨型星體,如貝特勒格斯或R多拉多斯,它們是整個天空中半徑最大的星體之一。
獵戶座α星,這是一種十分特別大的星體的射電圖象,它的光暈覆蓋范圍很廣。這是月球上觀測到的最少量的星體之一。
辛運的是,有一些間接的檢測方式可以讓我們估算出星體的數學大小,那些都是十分可靠的。假如你有一個特別熱的球狀物體,它會發出幅射,這么星體發出的幅射總數只有兩件事:物體的氣溫和它的化學大小。這樣做的緣由是,惟一向宇宙發出光的地方是星體的表面,而圓球的表面積總是遵守同樣的公式:4r2,r是圓球的直徑。假如你能檢測星體的距離,它的濕度,以及它的照度,你可以通過運用數學定理曉得它的直徑(因而,它的大小)。
這是對紅球星烏伊斯庫魯蒂拍攝的相片,它是通過盧瑟福天文臺的望遠鏡進行處理的。這顆明亮的星體在大多數望遠鏡中可能一直只是一個“點”天體物理學什么,但它是目前已知的最大的星體。
當我們進行觀測時,我們發覺一些星體的容積小到只有幾十公里,而另一些星體的大小則高達太陽的1500倍。在超級球星中,最大的一顆是UYScuti,半徑約24億公里,比土星繞太陽的軌道要大。問題是,這種極端的星體的事例并不適宜我們的太陽這樣的星體。其實,最常見的星體類型是像我們的太陽這樣的主序星體:一顆主要由氫組成的星體,通過將氫與氦的核心結合而獲得能量。它們的規格很大,由星體本身的質量決定。
在我們的銀河系中發覺了一個年青的星體產生區域。當二氧化碳云在引力上塌縮時,原星體會升溫并顯得更密集,最終會在核心中燃起聚變。
每每產生一顆星體時,引力收縮會造成勢能(重力勢能)轉換成星體核心的動能(熱量/運動)。假如有足夠的質量,濕度都會足夠高,足以在最外層的區域燃起核聚變,由于氫核會經歷一個鏈式反應,轉化成氦。在質量較低的星體中,只有很小一部份的中心會達到400萬K(開爾文)的閥值并進行聚變,這將會是十分平緩的速度。另一方面,最大的星體可能是太陽質量的數百倍,并達到數百萬度的核心體溫,將氫聚弄成氦的速率是太陽的數百萬倍。
(現代)摩根-基南波譜分類系統,其氣溫范圍在每一個星體類的氣溫范圍內,用開爾文表示。明天,絕大多數(75%)的星體都是m級星體,只有1/800的星體足夠大,足以成為超新星。
從這個意義上說,最小的星體具有最小的外通量和幅射壓力,而質量越大的星體則外通量和幅射壓力越大。這些向外幅射的能量是使星體與引力坍縮的結果,但你可能會吃驚地發覺,這個距離是相對窄小的。質量最低的紅矮星,譬如比鄰星和VB10,只有太陽大小的10%;比土星稍大一點。另一方面,最大的黑色巨人,,是太陽質量的250倍。并且只有太陽半徑的30倍。假如你將氫聚變為氦,這么星體不會因其大小而變化。
在巨大的馬云星云中的蜘蛛星云中,星團的136(R136)是已知的最大質量星體的佳苑。是最大的,是太陽質量的250倍。
而且并不是所有的星體都將氫聚變為氦!最小的星體根本不會融合任何東西,而最大的星體則會步入一個更有活力的生命階段。我們可以分解大小范圍內的星體類型,我們發覺的是五個基類類:
中子星:這種超新星殘片包含了1-3個太陽的質量,但基本上被壓縮成一個巨大的原子核。它們依然會放射出幅射,但因為其極小的規格,它們的幅射劑量很小。一顆典型的中子星大約有20-100千米的大小。
白矮星:當一顆類似太陽的星體在其內核中用盡最后一顆氦燃料時產生天體物理學什么,內層在內部層收縮時才會被吹走。通常來說,白矮星的質量是太陽質量的0.5到1.4倍,但它只是月球的化學容積:約1萬公里,由高度壓縮的原子組成。
主序星:這種星體包括紅矮星,類太陽的星體,以及我們之前討論過的紅色巨獸。從大概10萬公里到3000萬公里,它們覆蓋了相當大的范圍,但即便是最大的一個,假若它代替了太陽,也不會淹沒水星。
紅球星:這么,當你的核心里的氫用盡時,會發生哪些呢?假如你不是紅矮星(在這些情況下,你會弄成白矮星),引力收縮會使你的內核升溫,以至于你開始把氦聚變為碳。哦,把氦聚變產生碳釋放的能量比普通的舊氫聚變釋放的能量要多,這就造成了星體的膨脹。簡單的化學現象是,在星體邊沿的外力(幅射)必須平衡內部的力(引力)以保持星體的穩定,但是有一個大得多的外力,你的星體必需要大得多。紅球星的半徑通常在100-1.5億公里左右,大到足以困住水星、金星和月球。
超級球星:最小型的星體將趕超氦聚變,并開始在其核心中融合更重的元素,如碳、氧、甚至硅和硫。這種星體注定要成為超新星和/或黑洞的命運,而且在它們抵達那兒之前,它們膨脹到巨大的規格,可以擴充到10億(10億)千米或更多。這種星體是所有行星中最大的,如同,它們會淹沒所有的巖石行星,小行星帶,假如它們要代替我們的太陽的話,最大的行星甚至會吞噬土星。
明天的太陽與巨行星相比是很小的,但在紅球星階段,它的大小將會降低到大角星的大小。像這樣的巨型超級巨人將永遠難以趕超我們的太陽。
對于最微小的星體,像中子星和白矮星這樣的殘余物,它們被困的能量只能通過一個微小的表面區域來逃脫,這一區域使它們的色溫保持了那么長時間。并且對于其他所有的星體來說,它們的大小是由這個簡單的平衡決定的:來自外部幅射的力,在表面上,必須等于引力的內拉。更大的幅射力意味著星體膨脹到更大的規格,最大的星體膨脹到數十億公里。
假如估算是正確的,當它膨脹成一個紅球星的時侯,月球就不會被太陽淹沒。但是,它會顯得十分、非常熱。
事實上,隨著太陽的老化,它的核心體溫會下降,但是隨著時間的推移,它會不斷膨脹和變熱。在10或20億年的時間里,它將足夠熱,足以使月球的海洋沸騰,除非我們采取舉措將月球的軌道遷移到安全的地方。若給它足夠的時間,都會膨脹成一個紅球星。在幾億年的時間里,我們會比一些最龐大的星體更大更亮。雖然這可能是令人印象深刻的,但別被激怒了:在天文學領域,大小是重要的,但它不是惟一的指標。最小的中子星和最大的超級球星,以及許多白矮星和主序星,依然會比成為紅球星的太陽的質量更大!
主編圈點:并不是所有的星體都將氫聚變為氦!最小的星體根本不會融合任何東西,而最大的星體則會步入一個更有活力的生命階段!
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